Для использования водной энергии участка реки необходима гидросиловая установка, в которой водная энергии преобразовывается в механическую работу. На современных силовых установках водная энергия превращается в электрическую, они называются: гидроэлектрическими силовыми установками, или ГЭС или гидростанциями.
Водяная турбина и электрический генератор ГЭС называется гидроагрегатом, если они соединены на одном валу или с помощью передаточного механизма.
С помощью гидротехнических сооружений концентрируется (сосредотачивается) падение реки, т.е. создается напор ГЭС, а воду направляют через силовое(машинное)здание, где водная энергия с помощью гидроагрегата преобразуется в электрическую.
Гэс превращает в полезную работу не все энергоресурсы реки - часть их расходуется на преодоление различных сопротивлений:
- механических (трение в подшипниках гидроагрегата)
- гидравлических (трение воды о стенки, образование вихрей и др.)
- электрических (нагрев генератора и проводов)
|
|
Поэтому для определения мощности ГЭС вводят дополнительные множители, выражающие собой КПД:
-водоподводящих сооружений
-водяной турбины
-электрического генератора
Произведение Нηс является напором (сосредоточенным падением) НГЭС. Средние значения КПД электрогенератора ГЭС 0,95-0.97. КПД крупных водяных турбин 0.86-0.88.
В предварительных расчетах общий Кпд принимают равным 0.75. Тогда формула мощности ГЭС:
Nгэс=9.81QгэсНηсηгηт.
Для очень крупных ГЭС с большими КПД и мощность равна:
Nгэс= (8.3-8.5)QгэсНгэс
Суммарную мощность установленных на ГЭС гидроагрегатов называют установленной мощностью
Выработка энергии ГЭС за период времени Т при переменной мощности Nгэс определяется формулой:
Эгэс=ʃΝгэсdT,
где Νгэс - фактическая мощность, с которой ГЭС работает в интервале времени ΔΤ.
Годовая выработка электроэнергии в кВт.ч определяется через объем стока проходящего за год через турбины:
Эгэс=(WгэсНгэсηгηт)/367,2
Плотины
Сегодня мы рассмотрим плотины как наиболее общие гидротехнические сооружения, в тоже время наиболее важные. Водоподпорным называется сооружение, удерживающее воду с одной стороны на более высоком уровне чем с другой: часть водного объекта с более высоким уровнем называется верхним бъефом, по другую сторону – нижним. Разность уровней – напором. Плотиной называется водоподпорное сооружение перегораживающее русло или долину реки. Водоподпорные сооружения, устраиваемые вдоль берегов для защиты земель от затопления называются дамбами-валами.
|
|
К водоподпорным относятся следующие сооружения: специальные шлюзы (судоходные, регуляторы), плотоходы и др.
Классификации
- по цели устройств
- по возможности пропуска воды
- по основному материалу
- по высоте создаваемого напора
- по характеру основания
По цели устройства:
- для поднятия уровня
- для создания водохранилища
По возможности пропуска воды:
- глухие плотины
- водосбросные плотины
По основному материалу:
- земляные
- каменной наброски
- сухой каменной клади
- каменно-земляные
- каменные
- бетонные
- железобетонные
- деревянные
- прочие: сталь, синтетические, комбинированные
По цели создаваемого напора:
- низконапорные (до 25)
- средненапорные (до 75)
- высоконапорные (более 75)
По характеру основания (для фильтрации):
- на мягких грунтах
- на скальных
Взаимодействие река-плотина
Различают уровни.
Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины), который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема (УМО). Объем воды заключенный между НПУ и УМО, называется полезным, так как именно этим объемом воды и можно распоряжаться в различных хозяйственных и других целях. Объем же воды, находящейся ниже УМО, называется мертвым, так как использование его в нормальных условиях эксплуатации не предусматривается.
Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролетов, донных отверстий, шлюзов) по экономическим и реже техническим соображениям ограниченна. Поэтому когда по водохранилищу идет расход очень редкой повторяемости (раз в сто, тысячу, а то и десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую по реке. В этих случаях уровни воды на всем водохранилище и у плотины повышаются, увеличивая его объем иногда на значительную величину; одновременно увеличивается пропускная способность гидроузла. Такой подъем уровня выше НПУ в период прохождения высоких половодий редкой повторяемости называется форсированием уровня водохранилища, а сам уровень — форсированным подпорным (ФПУ). На водохранилищах, используемых для водного транспорта или лесосплава, сработка уровня в период навигации ограничивается уровнем, при котором речной флот по состоянию глубин может продолжать нормальную работу. Этот уровень, находящийся между НПУ и УМО, называется уровнем навигационной сработки (УНС). Уровни воды, в особенности при НПУ и ФПУ, у плотины, в средней и верхней зонах водохранилища не одинаковы. Если у плотины уровень соответствует отметке НПУ, то по мере удаления от нее он повышается вначале на сантиметры, а затем и на десятки сантиметров, а в отдельных случаях и на один-два метра. Это явление носит название кривой подпора.
ФПУ
УМО
Действие на плотину
- размыв
- фильтрация
- давление
Скорости у плотины более 20 м/с.
рисунок
Поэтому устраивают
- понур
- водобой
- рисберму
- шпунты
Понур
Рисберма
Фундамент
плотина колодец (гибкая и жесткая)
шпунты водобой
Путь грунтовых вод
Концевое устройство
Действие на реку
- увлажнение микроклимата
- изменение флоры и фауны
- подпор повышает уровень грунтовых вод
- заболачивание
- выпадение лесов на севере
- засоление почв на юге
- всплытие торфяников
- заиление – выпад наносов по крупности
- переформирование берегов
Примеры:
- Земо-Авчальская на Куре за 5 лет на 60%
- Штеровское водохранилище на р. Миус на 85%
|
|
- Гиндукушское в Ср. Аз. за 15 лет полностью
Заиление поднимает уровень – затопляет берега; размывание ниже плотины (транспортирующая способность воды отстоявшейся воды повышается).
Фильтрация
Основания всегда проницаемы (поры, трещины) – это движение называется фильтрационным. Область фильтрации ограничивается сверху поверхностями сооружений, снизу кровлей водоупора. Входной поверхностью фильтрационного потока является дно верхнего бьефа, выходной – дни нижнего и проницаемые для воды части сооружения: рисберма, дренажные устройства.
Фильтрация воды напорная так как свободная поверхность отсутствует.
Линия контакта с сооружением называется контуром – ломаная линия.
Ее последствия:
- утечка
- фильтрующаяся воды оказывается гидростатическое давление на подошву сооружения снизу вверх (противодавление - вредно)
- механически и химически действует на грунт основания
Механическая и химическая суффозия
Удлинение пути фильтрации (контура) уменьшает последствия (при одном и том же напоре), поэтому удлиняют понуром перед шпунтовыми стенками (либо завесами).
Тот же процесс идет также и в берегах. Для чего считают скорость фильтрационного потока, его расход, противодавление.