Малые ГЭС. Водоподводящие сооружения и гидротурбины. Лекция 4

1. Малые гэс. Водоподводящие сооружения и гидротурбины

МАЛЫЕ ГЭС.
ВОДОПОДВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
И ГИДРОТУРБИНЫ
ЛЕКЦИЯ №4

2. Малая гидроэнергетика

МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
Малая гидроэнергетика – это составная часть гидроэнергетики,
связанная с использованием энергии водных ресурсов и
гидравлических систем при помощи гидроэнергетических
установок малой мощности
ГОСТ Р 51238 - 98 Гидроэнергетика малая. Термины и
определения
2

3. История развития малой гидроэнергетики в России

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ В
РОССИИ
В 1892 году состоялся пуск
Зыряновской ГЭС на
Рудном Алтае
Станцию построили на речке
Березовка (приток р.Бухтарма)
3

4. История развития малой гидроэнергетики в России

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ В
РОССИИ
8000
количество малых ГЭС
7000
6614
6073
6000
5000
6573
5679
5818
4765
4062
3544
4000
3000
2939
1928
2000
1093
1000
943
0
1910
360
190
78
1920
1930
1940
1950
1960
годы
1970
300
70
1980
1990
2000
2010
4

5. Классификация объектов малой гидроэнергетики

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ
ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Страна
Австрия, Германия, Польша, Испания
Латвия и Швеция
Греция, Ирландия, Португалия
США
СССР
Мощность
До 2 МВт
До 5 МВт
До 10 МВт
До 15 МВт (до 30
МВт после 1980 г.)
До 30 МВт
5

6. Суммарная мощность малой гидроэнергетике в мире

СУММАРНАЯ МОЩНОСТЬ МАЛОЙ
ГИДРОЭНЕРГЕТИКЕ В МИРЕ
• В «старых» членах Евросоюза (EU-25)
имеется 16,8 тысяч малых ГЭС средней
мощностью 0,7 МВт, что обеспечивает
суммарную мощность 10 ГВт.
• В Китае действует около 83 тысяч малых ГЭС.
6

7.

7

8. Производители малых ГЭС в России

ПРОИЗВОДИТЕЛИ МАЛЫХ ГЭС В РОССИИ
ЗАО "Норд Гидро"
АО «Ленинградский металлический завод»
АО «НПО ЦКТИ» ("Научно-производственное
объединение по исследованию и проектированию
энергетического оборудования им. И.И. Ползунова" )
ООО «Энергомашкорпорация»
ООО «Энерго-Альянс»,
АО «Уралэлектротяжмаш»
АО «МНТО ИНСЭТ» - микроГЭС, ГА для мини, малых
ГЭС
ОА «Тяжмаш» г.Сызрань
НПЦ «Ранд», г. Санкт-Петербург
АО «Энергомаш»
ОА «Напор»
АО «Электросила» - генераторы
АО «НИИЭС»
8

9. Классификация объектов малой гидроэнергетики по мощности

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ
ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ ПО МОЩНОСТИ
наименование
МикроГЭС
МиниГЭС
Малые ГЭС
Установленная
мощность
расход
Диаметр рабочего
колеса
до 100 кВт
100-1000 кВт
1-30 МВт
< 0,4 м3/с
0,4-12,8 м3/с
>12,8 м3/с
< 0,3 м
0,3-0,8 м
>0,8 м
ГОСТ Р 51238 - 98 Гидроэнергетика малая. Термины и
определения
9

10. Источники энергии для малых ГЭС

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ МАЛЫХ ГЭС
Небольшие реки, ручьи
технологические водотоки (промышленные и канализационные
сбросы)
Ирригационные каналы в сельской местности
Искусственные водоёмы
10

11. Классификация объектов типу преобразования энергии потока

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТИПУ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ ПОТОКА
Напорные
Э1 2
Кинетические
p1
p2
1v12 2v22
Э1 Э2 gW (( z1
) ( z2
) (
))
g
g
g
11

12. Классификация объектов малой гидроэнергетики

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ
ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Напорные
Плотинные
Деривационные
стационарные
Мобильные
12

13. Чемальская ГЭС

ЧЕМАЛЬСКАЯ ГЭС
13

14. Зелаирская ГЭС

ЗЕЛАИРСКАЯ ГЭС
14

15. Эзминская ГЭС

ЭЗМИНСКАЯ ГЭС

16. Классификация объектов малой гидроэнергетики

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ
ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Кинетические (безнапорные, свободнопоточные)
гирляндные
наплавные
погружные
16

17. Классификация объектов малой гидроэнергетики

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ
ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
17

18. Мини-ГЭС на сточных водах в Томске

МИНИ-ГЭС НА СТОЧНЫХ ВОДАХ В ТОМСКЕ
9 сентября 2014 года
Мощность: 1000 кВА
Годовая выработка:
3 млн. кВт*ч
18

19.

19

20. Капиталовложения и окупаемость МГЭС

КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЯ И ОКУПАЕМОСТЬ МГЭС
Строительство МГЭС на
существующих гидроузлах
1100$1800$
Восстановление не действующих
МГЭС
1100$3500$
Новое строительство МГЭС
(деривационная схема)
1200$2500$
Новое строительство МГЭС
(кроме деривационной)
1700$4500$
8760 ч. – 2880 ч. (4 мес.) = 5880 ч. – для
средних широт
20

21. Водоподводящие сооружения

ВОДОПОДВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ

22. Задача выбора конструктивных элементов ГЭС

ЗАДАЧА ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ГЭС
Стоимость проекта
Конструкция ГЭС
Эффективность
выработки ГЭС
Упрощение
конструкции
Автоматизация
работы ГЭС
Снижение потерь
энергии

23. Основные конструктивные элементы

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Гидротехнические сооружения ГЭС
Водоподводящие сооружения
гидротурбина
генератор
Система стабилизации выходных
параметров

24. Плотинные ГЭС

ПЛОТИННЫЕ ГЭС

25. Деривационные ГЭС

ДЕРИВАЦИОННЫЕ ГЭС
Эзминская ГЭС

26. Свободнопоточные ГЭС

СВОБОДНОПОТОЧНЫЕ ГЭС

27. Водоподводящие сооружения

ВОДОПОДВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
1. Каналы-деривации и
безнапорные лотки
2. Водоприёмники
3. Водоводы

28.

29. Расчёт параметров безнапорной деривации

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ БЕЗНАПОРНОЙ ДЕРИВАЦИИ
1. При строительстве безнапорного участка деривации очень важен выбор
уклона i дна канала, от которого зависит скорость протока воды в нем
заиление
Зарастание водовода
водорослями
Образование шуги и
ледяных покровов
Малая
скорость
потока
Большая
скорость
потока
Увеличение
потерь напора
и мощности
1,0 1,5 м / с
3
t H 0.06
tH- минимальная температура наружного воздуха, C°

30. Расчёт параметров безнапорной деривации

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ БЕЗНАПОРНОЙ ДЕРИВАЦИИ
h i L
Уклон канала определяют по формуле Шези:
i
2
C R
2
,
R - гидравлический радиус живого сечения канала, м;
С - коэффициент Шези

31. Расчёт гидравлического радиуса безнапорной деривации

РАСЧЁТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАДИУСА
БЕЗНАПОРНОЙ ДЕРИВАЦИИ
R
,
Площадь живого сечения
χ - смоченный периметр, длина линии, по которой жидкость в живом
сечении соприкасается с твердыми поверхностями
Водоток трапециевидного сечения
(b ctg ( ) h) h
b 2h ctg 2 ( ) 1

32. Расчёт гидравлического радиуса безнапорной деривации

РАСЧЁТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАДИУСА
БЕЗНАПОРНОЙ ДЕРИВАЦИИ
Водоток прямоугольного сечения
b h
Водоток треугольного сечения
b 2h
ctg ( ) h 2
2h ctg 2 ( ) 1
Водоток круглого сечения
h
a 1 2
d
arccos(a)
d2
( a sin( ))
4
d

33. Расчёт коэффициента Шези

РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТА ШЕЗИ
R1 / 6
C
,
n
Материал стенок русла
Коэффициент шероховатости
(справочная величина)
Коэффициент шероховатости
Сталь
0,012
Чугун
0,013
Бетон
0,013
Нескальный грунт
0,025
Скальный грунт
0,040

34. Напорный водовод

НАПОРНЫЙ ВОДОВОД
На крупных ГЭС:
Сложная армированная железобетонная конструкция
На малых ГЭС:
Может отсутствовать у гидроэлектростанций плотинного типа.
У ГЭС деривационного типа может быть использован:
1. Стальной трубопровод
2. Бетонный трубопровод (бетонные кольца)
3. Резиновый трубопровод
4. Рукавный трубопровод

35. Расчёт параметров водовода

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВОДОВОДА
1. Диаметр водовода
4 Q
D
.
3.14
2. Потери напора в водоводе
2.1 Потери напора на трение
hтр
128vQL
gD 4
- Кинематический коэффициент вязкости
ν
Чистая вода при t=20 ºC
1,01*10^(-6) м^2/с
Чистая вода при t=10 ºC
1,31*10^(-6) м^2/с

36. Расчёт параметров водовода

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВОДОВОДА
2.1 Местные потери напора
hдоп
0.083 f Q
,
4
D
f - коэффициент местного сопротивления
f
элемент
Вход в водовод с острыми краями
0,5
Вход в водовод с закругленными краями
0,2
задвижка
0,12
Колено 90%
0,3
Закругление
0,14
Действительный напор:
H д Н h, м

37. Гидротурбины

ГИДРОТУРБИНЫ

38. СОСТАВ Гидротурбины

СОСТАВ ГИДРОТУРБИНЫ
Спиральная камера
Система регулирования подачи
энергоносителя
Рабочее колесо
Отсасывающая труба

39. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
Активные
Реактивные

40. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
1. Турбина Пелтона (Pelton Turbine) - ковшовая активная
турбина, использующая высокий напор струи

41. Число сопл ковшовой турбины

ЧИСЛО СОПЛ КОВШОВОЙ ТУРБИНЫ
Число сопл может от 1 до 6 (в
зависимости от расхода и
мощности турбины)
Чем больше сопл, тем
равномернее поток поступает на
рабочее колесо и тем выше
к.п.д. турбины

42. Лопасти (чаши, ковши) ковшовой турбины

ЛОПАСТИ (ЧАШИ, КОВШИ) КОВШОВОЙ
ТУРБИНЫ
С разделительным клином
(для больших мощностей)
Без разделительного клина
(для малых мощностей)

43. Регулирование расхода ковшовой турбины

РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСХОДА КОВШОВОЙ
ТУРБИНЫ
Сопловой аппарат ковшовой турбины
Дефлектор (отклонитель)
Изменение расхода регулирующей иглой

44. Двухколесная (трехколесная) ковшовая турбина

ДВУХКОЛЕСНАЯ (ТРЕХКОЛЕСНАЯ) КОВШОВАЯ
ТУРБИНА

45. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
2. Турбина Тюрго (Turgo Turbine) – наклонно-струйная активная
турбина, использующая высокий напор струи

46. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
3. Турбина Каплана (Kaplan Turbine) - поворотно-лопастная
гидротурбина (на малых ГЭС чаще используются пропеллерные
турбины)

47. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
4. КАПСУЛЬНАЯ ТУРБИНА

48. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
5. Турбина Фрэнсиса (Frencis Turbine) – радиально-осевая турбина

49. Типы гидротурбин

ТИПЫ ГИДРОТУРБИН
6. Турбина Банки (Banki Turbine) – турбина поперечного течения
Горизонтальный напуск
Вертикальный напуск

50. Конструктивные особенности гидротурбины

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГИДРОТУРБИНЫ
Двухкамерное исполнение

51. Классификация турбин по напору

КЛАССИФИКАЦИЯ ТУРБИН ПО НАПОРУ
Вид турбины
Пропеллерная и
поворотнолопастная
Напор, м
Турбина Банки
2-200
Радиально-осевая
10 – 350
Наклонно-струйная
30 - 400
Ковшовая
50 – 1000
3 – 40

52. Маркировка гидротурбин

МАРКИРОВКА ГИДРОТУРБИН
Тип гидротурбины
(ПЛ, РО, Пр, КО)
Предельный напор
при котором турбина
может работать
Диаметр рабочего
колеса
Расположение вала
Гидротурбины
В – вертикальная
Г - горизонтальная
Пр10-ВБ-140
Дополнительные
Признаки системы
гидротурбин
К – капсульная,
4, 6 – число сопл ковшовой
гидротурбины
М, Б – металлическая или
бетонная спирал. камера
Θ – угол наклона лопастей
Диагональной турбины

53. Компоновки гидроагрегатов

КОМПОНОВКИ ГИДРОАГРЕГАТОВ
Горизонтальные
Напор: 5-10(15) м, большой и средний расход
капсульные гидроагрегаты
Напор: 5-40 м, любой расход
Турбины Каплана и Банки
Напор: 40 м и выше, малый и средний расход
Турбина Фрэнсиса (вертикальное исполнение),
Банки, ковшовая, наклонно-струйная

54. Компоновки гидроагрегатов

КОМПОНОВКИ ГИДРОАГРЕГАТОВ
Вертикальные
Напор: 20 и более м, малый и средний расход
Поворотно-лопастные турбины
Напор: 40 и более м, большой расход
Ковшовые, наклонно-струйные турбины, турбины
Фрэнсиса и банки

55. Расчёт параметров турбин

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ТУРБИН
Малые ГЭС
Расчёт параметров турбины производится
индивидуально для объекта на основе модельных
характеристик
МикроГЭС
Выбор параметров турбины производится на
основе имеющихся модульных элементов или
комплектных ГЭС

56. Выбор оборудования МикроГЭС

ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ МИКРОГЭС
Компания ИНСЭТ
http://www.inset.ru/

57. Насосы в качестве гидротурбин

НАСОСЫ В КАЧЕСТВЕ ГИДРОТУРБИН
+ Простота конструкции
- Отсутствие возможности регулирования