Проектування малої гідростанції на Печенізькому водосховищі

У нижньому б'єфі малих ГЕС відбувається також активізація руслових процесів - безпосередньо за греблею розмиви русла і його поглиблення, на низлежачій ділянці русла утворення зони акумуляції наносів.

Змінюється й температура води в ріці нижче греблі - узимку вона підвищується, улітку знижується. Зміни термічного режиму в нижньому б'єфі залежать від глибини й обсягу водоймища, району його розміщення. Однак для малих водоймищ зміни термічного режиму в нижньому б'єфі несуттєві.

Дослідженнями [5] на Осиновичській малій ГЕС встановлено, що малі водоймища виконують роль біологічного очисного спорудження й сприяють збільшенню змісту у воді нижнього б'єфа кисню, азоту, зменшенню змісту вуглекислоти. Поліпшенню кисневого режиму сприяє й аерація води при проходженні через гідротурбіну. Підвищення змісту кисню у воді нижче малих ГЕС поліпшує умови перебування риб, зменшуючи шкідливий вплив на них, знижуючи зимові й літні замори.

Накопичуючи значне число біогенних елементів, водоймища малих ГЕС на навколишнє середовище впливає так багатообразно, що облік всіх факторів представляється досить складним. Як показує обстеження багатьох водоймищ, їхній вплив у цілому позитивний.

2.4 Використання водоймищ малих ГЕС

Обстеження малих ГЕС показало, що їхні водоймища мають різне й, як правило, комплексне призначення.

Досвід показує, що характер використання малих водоймищ у процесі експлуатації змінюється. Так, багато водоймищ споконвічно винятково енергетичного призначення згодом його втратили, тобто ГЕС при них були ліквідовані, але різко зросла їхня роль як об'єктів рекреації, водопостачання, рибництва, транспорту. Зараз поставлене завдання максимально широкого енергетичного використання водоймищ, створених для інших цілей й у першу чергу для зрошення. Усе більше важливого значення набуває рекреаційне використання малих водоймищ. На них створюються санаторії, зони й бази відпочинку, туристські й спортивні комплекси й т.д.

Комплексне використання водоймищ малих ГЕС - одне з найважливіших рішень, правильна розробка якого дозволить підвищити економічну ефективність як раніше побудованих, так і знову намічуваних до будівництва ГЕС.

Водоймища малих ГЕС, впливаючи на природу, самі піддаються впливу навколишнього середовища. Будучи малими, вони більш чутливі до антропогенного навантаження, особливо до забруднення елементами, що не піддаються процесам біологічного самоочищення. Відомі приклади, коли всього одне промислове підприємство своїми скиданнями вод робило неприйнятним комплексне використання малого водоймища. Тому санітарній охороні малих водоймищ варто приділяти особливу увагу при проектуванні малих ГЕС.

3. Мала гідроенергетика

Термін "гідроенергетика" визначає область енергетики, що використовує енергію води, що рухається, як правило, річок. Ця енергія перетворюється або в механічну, або найчастіше в електричну. Крім гідроенергетики водними джерелами енергії є морські хвилі й припливи.

Гідроенергетика є найбільш розвиненою областю енергетики на відновлюваних ресурсах. Важливо відзначити, що відновлюваність гідроенергетичних ресурсів також забезпечується енергією Сонця. Дійсно, річки являють собою потоки води, що рухаються під дією сили ваги з більш високих на поверхні Землі місць у більш низькі й, зрештою, упадають у Світовий океан. Під дією сонячного випромінювання вода випаровується з поверхні Світового океану, пара її піднімається у верхні шари атмосфери, конденсується в хмари, і випадає у вигляді дощу, поповнюючи виснажені джерела рік (мал. 3.1). Таким чином, використана енергія рік є перетвореною в механічну енергією Сонця.

Рисунок 3.1 - Схема перетворення сонячної енергії в гравітаційну потенційну енергію води

Часто буває, що в силу тих або інших змін атмосферних умов цей кругообіг порушується, річки міліють або навіть повністю висихають. Іншим крайнім випадком є порушення цього кругообігу, що приводить до повеней.

Гідроелектростанції і їхнє устаткування використовуються дуже довго, турбіни, наприклад, близько 50 років. Це пояснюється умовами їхньої експлуатації: рівномірний режим роботи при відсутності екстремальних температурних і інших навантажень. Внаслідок цього вартість виробляємої на ГЕС електроенергії низка й багато які з них працюють із високим економічним ефектом. Наприклад, Норвегія робить 90% електроенергії на ГЕС. Виробляєму ГЕС енергію дуже легко регулювати, що важливо при її використанні в енергосистемах з більшими коливаннями навантаження.

Найбільш складними проблемами гідроенергетики є: збиток, який наноситься навколишньому середовищу (особливо від затоплення великих площ при створенні водоймищ), замулювання гребель, корозія гідротурбін і в порівнянні з тепловими електростанціями більші капітальні витрати на їхнє спорудження. Тому особливо перспективним у цей час є використання гідроенергетичних ресурсів малих рік без створення штучних водоймищ.

Оцінка потужності водного потоку. Нехай Q обсяг води, що надходить у робочому органі гідроенергетичної установки в одиницю часу (витрата, вимірювана в м?/с), H - висота падіння рідини (напір, вимірюваний у метрах), с - щільність води (кг/м?), g - прискорення сили ваги (9,8 м/с?). Тоді потужність водного потоку Р - визначається по формулі:

(3.1)

Основним робочим органом гідроенергетичних установок, безпосередньо перетворюючих енергію води, що рухається, у кінетичну енергію свого обертання, є гідротурбіни, які підрозділяються на:

1) активні гідротурбіни, робоче колесо яких обертається у повітрі потоком, що натікає на його лопатки потоком води;

2) реактивні гідротурбіни, робоче колесо яких повністю занурено у воду й обертається в основному за рахунок різниці тисків перед і за колесом.

В активній гідротурбіні водний потік перед турбіною за допомогою водовода й сопла формується в струмінь, що направляється на ковші, розташовані на ободі колеса, приводячи його в обертання.

При швидкості потоку води 1,0 м/с енергетична щільність приблизно оцінюється в 500 Вт/м? (при поперечному розрізі ріки). Але для найменших гідроустановок тільки 60% енергії може бути теоретично отримано, тому їхня ефективність рідко досягає 50%, тобто реально використовується тільки 250 Вт/м? енергії за допомогою використання реального потоку води. Потужність, отримана від використання потоку води, пропорційна кубу швидкості води. Якщо швидкість потоку становить 2 м/с, то щільність повинна піднятися до 2000 Вт/м? і так далі.

У цей час використовуються наступні типи турбін:

1) Турбіна Пелтона (Pelton turbine РТ);

2) Турбіна Франциска (Francis turbine РТ);

3) МВТ Турбіна (Michel-Banki turbine);

4) Турбіна Каплана (Kaplan turbine КТ) або турбогвинтовий гідравлічний двигун;

5) Турбіна Дерайза (Deriaz turbine TD).

Вибір типу турбіни залежить від цілого ряду показників, насамперед від висоти потоку бігу води й інших показників, таких як вартість турбіни й експлуатаційні витрати, надійність та інше. На мал. 3.2 наведені границі застосування вищезгаданих турбін, що рекомендуються, залежно від напору, обсягу води, а також потужності кожної машини.



Рисунок 3.2 - Границі рекомендованого використання турбін

Важливим показником при виборі певного типорозміру тієї або іншої турбіни є співвідношення числа обертів колеса ротора, напору й відносної швидкості n_с, що визначається як

(3.2)

де n - є дійсним числом обертів у той або інший період часу (швидкість обертання).

3.1 РТ-турбіна

Це турбіна вільного потоку (дії) води. Потенційна енергія води в турбіні стає кінетичною енергією, коли струмінь води, проходячи інжектори, направляється на лопатки рушійного колеса. Робота турбіни відбувається при тиску, близькому до атмосферного. Тому необхідний досить низький напір води для напрямку струменя на лопатки рушійного колеса. У РТ-турбінах використовуються багаторазові інжектори, лопатки й колесо, що рухається, великого діаметра (рис. 3.3).



Рисунок 3.3 - Поперечний розріз РТ-турбіни

Застосування РТ-турбін, як малих гідроустановок, є економічно виправданим, коли є витрати води вище 30 літрів у секунду з напором від 20 м. Необхідне співвідношення H, Q і необхідної потужності РТ-турбіни наведене на мал. 3.2. Діаметр лопаток колеса турбіни D показаний на мал. 3.3. Величина діаметра залежить від значення напору Н, потоку Q і від наведеної швидкості n_с:

D=97,5 Q/n_c^0,9 ·H^1/4, (3.3)

де n_c=240(a/D)z^1/2(об/хв):

a - діаметр струменю води;

D - діаметр колеса в точці реактивного падіння води (тобто, діаметр вінця лопаток в точках дотику з водою);

z -- число струменів.

Діаметр інжектора на виході струменя може бути визначений як

a=0,55Q^1/2 H^1/4 , мм. (3.4)

Оптимальний діаметр колеса ротора може бути визначений як



Dопт = 5,88Q1/2z-9/2H-1/4 , мм.	(3.5)

Технічне обслуговування і ремонт РТ-турбін досить прості завдяки відносно простій конструкції ротора й доступу до нього.

3.2 FТ-турбіна

Область застосування турбін Франциска для малих гідроустановок перебуває в межах від 3 до 150 м висоти напору й від 100 л/с проектного потоку рушійної води (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - FT - турбіна у розрізі

Відповідно до місцевих умов, турбіни можуть бути горизонтально або вертикально розташовані. Горизонтальне розташування найбільш підходяще, тому що це полегшує пряме з'єднання з електричним генератором (синхронним або асинхронним). Вертикальне розташування більш складне для виконання ремонтів і підтримки в робочому стані. Такі FТ-турбіни іноді можуть використатися в широкому діапазоні напору (від 3 до 600 м). РТ-турбіни мають більший ККД, ніж у FТ-турбіни (мал. 3.5). Для них крива відносини Q_еф/Q_проект = 25%, більш полога. Крім того, існують інші недоліки турбін FТ у порівнянні із РТ-турбінами, а саме вони:

1) вимагають більшої уваги при їхньому обслуговуванні й ремонтах, дуже чутливі до кавітацій;

2) мають не оптимальну криву ККД турбіни, особливо при малих потоках води;

3) більш чутливі до конструкційних матеріалів у місцях надходження протікання води різної якості;

4) працюють хитливо при зниженні потужності до 40% щодо максимальної;

5) вимагають більшої уваги й більш високої кваліфікації персоналу при монтажі й обслуговуванні.

Рисунок 3.5 - Ефективність турбін для малих гідроустановок

1 РТ-турбіни при n_с = 20

2 МВТ-турбіни при n_с = 100

3 FТ-турбіни при n_с = 100

4 FТ-турбіни при n_с = 360

Емпірично визначено, що при напорі від 10 до 50 м швидкість обертання колеса FТ-турбіни знаходиться у межах 900...1200 об/хв. для напорів вище 50 м швидкість становить 1200...1500 об/хв.

3.3 МВТ-турбіни

Зображені на малюнку 3.6. У цей час ці турбіни (їх також називають радіальними турбінами) випускаються потужністю аж до 800 кВт. Їхній потік варіюється від 25 до 700 л/с (відповідно до типових розмірів машин) з напором води від 1 до 200 м. Число лопаток, встановлених навколо ротора, варіюється від 26 до 30 по окружності колеса при діаметрі колеса від 200 до 600 мм.

Рисунок 3.6 - МВТ-турбіна з вертикальним входом

МВТ-турбіни конструктивно використовують вільний випуск води або випуск із труби секційного типу. На рис. 3.6 показана турбіна із проходженням води навколо її ротора. У порівнянні з іншими видами турбін МВТ може мати сегментне компонування ротора (поздовжніх осередків ротора), що надає цим турбінам великої переваги. МВТ-турбіни можуть компонуватися декількома осередками. При низьких або середніх потоках води вони працюють із однієї або двома із трьох наявних осередків. Для одержання повної потужності при проектних потоках води використовуються три із трьох осередків. При такій диспозиції можна використати будь-який потік води з відносно оптимальною ефективністю. Завдяки такій можливості турбіна може бути використана навіть при 20% від повної потужності. Ця особливість важлива для проектів, коли можливо поступове задоволення попиту на електроенергію в часі. У цих випадках мала гідроустановка досягає видачі повного потенціалу енергії тільки через деякий час. Головні переваги МВТ це швидке компонування осередків і легкий доступ до всіх елементів устаткування протягом усього часу їхнього обслуговування. На мал. 3.7 наведені залежності ККД від Q МВТ-турбін при різній кількості осередків (сегментів) у порівнянні з FТ-турбіною.

Рисунок 3.7 - Криві ККД при різній кількості осередків в МВТ-турбіні та FT-турбіні

3.4 КТ-турбіна

Її ще називають гідравлічний турбогвинтовий двигун. Такі турбіни призначені для застосуванні при низьких потоках або при потоках води з обмеженою потужністю й мінливістю протягом року. КТ-турбіни рекомендуються для напору приблизно від 0,8 до 5 м. Щоб запустити КТ-турбину, вакуумний насос наповнює сифон водою й формує підйом води між верхнім і нижнім б'єфом води. Залежно від зміни витрати води лопатки колеса можуть регулюватися (рис. 3.8), що дозволяє пристосовуватися до змін потоку в ріці й підвищує ефективність турбіни.



Рисунок 3.8 - Розріз КТ-турбіни

Генератори з вихідними потужностями нижче 100 кВт можуть приводитися шківом або ременем. Колесо турбіни повинне встановлюватися таким чином, щоб нижня крапка колеса розташовувалася на максимальному рівні над верхнім плином. Визначення типорозміру КТ-турбіни, що щонайкраще буде пристосована до потоків і напору води в ріці, може ґрунтуватися на кривих, наведених на рис 3.9.

Рисунок 3.9 - Головні криві потоку для КТ-турбін

3.5 DТ-турбіни

Конструкція турбіни побудована не у вигляді радіальної, не у вигляді осьової форми, а має діагональну або напівосьову форму. У цих турбінах вода, що всмоктується (на вході) прямує по приблизно конічній поверхні навколо колеса ротора. Турбіна, розроблена в 1960 роках, може досягти потужності аж до 200 Мвт. Її потік може варіюватися в досить широкому діапазоні (від 1,5 до 250 м?/с залежно від типорозміру машини), з висотою напору від 5 до 1000м. Діаметр ротора турбіни може бути до 7000 мм, використовуючи від шести до восьми лопаток на колесі ротора. Діагональні турбіни працюють дуже економічно як у режимі турбіни, так і в насосному режимі. По характеристиках вони близькі до турбін Франциска за винятком розміру лопаток колеса ротора.

4. Перспективні конструкції й компонування гідроагрегатів малих ГЕС

4.1 Класифікація малих ГЕС і вимоги до їхнього устаткування

У цей час відсутній єдиний підхід до визначення поняття малих ГЕС. Більшість країн в основу їхньої класифікації закладають значення встановленої потужності; у матеріалах РЕВ дається наступна класифікація: мікрогідроелектростанції - це ГЕС потужністю менш 0.1 Мвт; мінігідроелектростанції - потужністю 0.1-1 Мвт; малі гідроелектростанції - потужністю 1-10 Мвт. Малі ГЕС можна класифікувати й за іншими критеріями. Так, у країнах-членах РЕВ малі ГЕС класифікують:

по напору - низьконапірні ГЕС із напором менш 20м, средньонапорні з напором 20-100м, високонапорні з напором більше 100м;

по режиму роботи - ГЕС, що працюють паралельно з енергосистемою (робота з водотоку); ГЕС, що працюють на ізольованого споживача (робота із графіка навантаження); ГЕС, що працюють на ізольованого споживача паралельно з іншими енергоджерелами (наприклад, з дизельною електростанцією, вітроенергоустановкою і т.п.);

по ступеню автоматизації - повністю автоматизовані ГЕС (що працюють без чергового персоналу).

Енергомашинобудування, крім того, пропонує за критерій, що визначає малі ГЕС і їхнє гідротурбінне устаткування, приймати так само діаметр робочого колеса гідротурбіни й відносити до малих гідроелектростанцій з діаметром робочого колеса турбіни менші 3м. У зв'язку з тим, що вартість устаткування для малих ГЕС може досягати половини й навіть більше загальної вартості, дуже важливим є пошук шляхів його здешевлення. Виходячи з цього, основними вимогами при розробці енергетичного устаткування для малих ГЕС є:

1 уніфікація й стандартизація устаткування;

2 розробка повністю автоматизованого устаткування, що виключає присутність на ГЕС чергового персоналу;

3 використання устаткування спрощеної конструкції й підвищеної надійності із застосуванням сучасних матеріалів, у тому числі антифрикційних;

4 вибір проточної частини, що забезпечує найбільше спрощення й здешевлення будівельних конструкцій без істотного зниження енергетичних параметрів;

5 забезпечення позитивної висоти відсмоктування, що дозволяє скоротити обсяг підводної частини будівлі ГЕС, здешевити і спростити провадження робіт;

6 використання гідротурбін в основному одинарного регулювання (застосування гідротурбін подвійного регулювання, і так само регуляторів частоти обертання допускається тільки при наявності спеціального обґрунтування);

7 попередня збірка устаткування на заводі-виготовлювачі для зниження строків і вартості монтажу на місці установки;

8 використання найсучаснішої технології для підвищення надійності в експлуатації, зниження витрат на технічний зміст і відхід, збільшення терміну служби;

9 застосування зварених конструкцій при їх мінімальній механічній обробці можливість зручного доступу й заміни деталей, що зношуються.

Рядом закордонних фірм уже накопичений значний досвід розробки й виготовлення устаткування для малих ГЕС.

4.2 Типізація гідротурбінного устаткування для малих ГЕС, область застосування, конструктивні особливості

У цей час у закордонній практиці використовуються гідроагрегати декількох типів. Для низьконапірних ГЕС залежно від місцевих умов застосовуються осьові вертикальні й горизонтальні прямоточні гідроагрегати, капсульні й трубні компонування. При цьому залежно від вимог до регулювання осьові гідротурбіни можуть виконуватися:

1 з нерухомими лопатками напрямного апарата й лопатами робочого колеса, тобто нерегульовані гідротурбіни (на ГЕС із мало мінливими витратами й напорами);

2 з нерухомими лопатками робочого колеса й нерухомим напрямним апаратом, тобто лопатево-регульовані (з характеристикою регулювання, приблизно аналогічної попередньому випадку);

3 з регульованим напрямним апаратом і поворотними лопатками робочого колеса, тобто поворотно-лопатеві (при цьому досягається гарний ККД у широкому діапазоні витрат і напорів).

Для підвищення економічності застосовуваного устаткування доцільно розглядати застосування підвищувальних передач між турбіною й генератором.

Для середньонапірних ГЕС найбільш підходящою є радіальноосьова гідротурбіна з горизонтальним або вертикальним валом і нерухомим або регульованим напрямним апаратом. Іноді для підвищення частоти обертання генератора можуть бути використані підвищувальні передачі.

При високих напорах використовуються ковшові гідротурбіни.

Хоча практично всі зазначені типи гідротурбін стандартизовані, однак кожна фірма, що спеціалізується на виробництві гідротурбін для малих ГЕС, має свою номенклатуру й нормалізований ряд параметрів гідротурбін, свої рекомендації з компонування й конструкції його елементів. Так, чехословацьким об'єднанням "Чкд-бланско" було розроблено кілька типів гідротурбін для малих ГЕС.

Прямоточні поворотно-лопатеві горизонтальні гідротурбіни із чотирилопатевим робочим колесом з винесеним генератором і S-образною трубою, що відсмоктує (рис. 4.1).



Рисунок 4.1 - Гідроагрегат з прямоточною горизонтальною турбіною з винесеним генератором і S-образною відсмоктуючою трубою

На рисунку 4.2 показана область застосування гідротурбіни на напір від 2 до 10 м. Лопати робочого колеса регулюються гідравлічним сервомотором з подачею масла від насосної установки електрогідравлічного регулятора. Напрямний підшипник виготовлений з тефлоновим покриттям. Корпус робочого колеса безмасляний з використанням самозмащувальних вкладишів. Гідроагрегат з такою гідротурбіною рекомендується для паралельної роботи з енергосистемою з регулюванням лопат робочого колеса від рівня верхнього б'єфа. Гідроагрегат може працювати теж і на індивідуальне навантаження, однак для цього випадку він забезпечується електрогідравлічним регулятором з датчиком частоти обертання, розташованим на валу гідротурбіни. Кожний гідроагрегат забезпечується так само датчиком, що подає сигнал на автоматичне відключення на закриття аварійного затвора перед турбіною. Відкриття затвора гідравлічне під дією тиску масла, закриття здійснюється під дією власної ваги з керуванням електромагнітом.



Рисунок 4.2 - Область застосування горизонтальної прямоточної гідротурбіни з S-образною відсмоктуючою трубою при напорі 2 - 10 м

Поворотно-лопатеві гідротурбіни із чотирилопатевим робочим колесом для роботи під напором до 26 метрів. Напрямний апарат турбіни регульований, лопати робочого колеса перемикаються лопатевим механізмом при зупиненому гідроагрегаті. Для напорів до 5м рекомендується горизонтальне компонування (рис. 4.3), а для напорів вище 5м - вертикальне компонування з колінчатою або конічною трубою, що відсмоктує.

Рисунок 4.3 - Гідроагрегат з горизонтальною осьовою гідротурбіною і колінчастою відсмоктуючою трубою

Радіально-осьові гідротурбіни на напори до 50м з горизонтальним і вертикальним компонуванням. Горизонтальне компонування (рис. 4.4) виконується у випадку невеликих діаметрів колеса (приблизно до 630 мм), при більших діаметрах застосовуються вертикальне компонування.

Рисунок 4.4 - Гідроагрегат з горизонтальною радіально-осьовою гідротурбіною

Часто застосовується спрощена конструкція турбіни, у корпусі якої функція напрямного апарата забезпечується однією регулюючою лопаткою, розташованою після входу в спіральну камеру й слугуючою одночасно механізмом закриття. Однак рекомендується використання додаткового механізму закриття перед турбіною. Радіально-осьові гідротурбіни на напори до 150м з регульованим напрямним апаратом як у вертикальному, так і в горизонтальному виконанні. Коли гідроагрегат на ізольоване навантаження, гідротурбіна забезпечується регулятором частоти обертання, при цьому здійснюється відкриття напрямного апарата відповідно до зміни рівня верхнього б'єфа. При роботі на енергосистему турбіна забезпечується асинхронним генератором і простим регулятором відкриття тільки відповідно до рівня верхнього б'єфа. На рис. 4.5 приведена компоновка прямоточної вертикальної осьової гідротурбіни, яка є модифікацією горизонтальної гідротурбіни з S-образною відсмоктуючою трубою (рис. 4.1). Розміщення вала гідроагрегату може бути і нахиленим. Лопатки робочого колеса зафіксовані, лопатки напрямлюючого апарату можуть регулюватися.



Рисунок 4.5 - Гідроагрегат з вертикальною осьовою прямоточною гідротурбіною

На рисунку 4.6 представлена схема конструкції й компонування агрегату з поперечно-струменевою (дворазовою) гідротурбіною. Ця гідротурбіна функціонально ставиться, скоріше, до активного, ніж до реактивного класу. Особливостями її є простота конструкції й високий ККД. Напрямний апарат по довжині можна розділити на дві частини, кожна з них, може працювати як окремо, так і в сполученні з іншою частиною. Якщо розділити напрямну лопатку у відношенні 1:2, то при витраті до 1/3 розрахункової витрати працює менша частина каналу, при витраті 1/3-2/3 - більша частина, а при витраті 2/3-1 - обидві частини одночасно. Найбільш ефективне застосування поперечно-струменних турбін в умовах невеликих змін напору при значних коливаннях розходу.

Рисунок 4.6 - Гідроагрегат з поперечно-струменевою гідротурбіною

На рисунку 4.7 показана конструкція горизонтальної двухсоплової ковшової гідротурбіни. Звичайно ковшові гідротурбіни використовуються при високих напорах, однак для малих ГЕС ці турбіни в горизонтальному виконанні ефективні й при середніх напорах (аж до 75 метрів), особливо для ГЕС, що працюють на побутовому стоці з постійним напором і значною зміною напору.

Рисунок 4.7 - Гідроагрегат з горизонтальною двухсопловой кошовою гідротурбіною

4.3 Гідрогенератори, система регулювання й автоматизація роботи

Для малих ГЕС, призначених для роботи в енергосистемах, можуть бути використані як синхронні, так і асинхронні генератори (без порушення й регулятора напруги). При цьому необхідно прагнути до використання стандартних генераторів. Однак для гідроагрегатів малих ГЕС через більші осьові зусилля й високі оберти застосування стандартних генераторів, звичайно використовуваних для дизельних установок, обмежено. Ряд закордонних фірм розробили типові конструкції генераторів для малих ГЕС, на рисунку 4.8 представлена розробка японської фірми "Фуджі" типова конструкція горизонтального синхронного генератора з опорою цокольного типу, на рисунку 4.9 конструкція асинхронного генератора з консольною опорою.



Рисунок 4.8 - Типова конструкція горизонтального синхронного генератора з опорою цокольного типу

Рисунок 4.9 - Типова конструкція горизонтального асинхронного генератора з консольною опорою

Напруга генераторів 220У, 400В; 3,3 кВ, 4,15 кВ, 6,6 кВ, ізоляція класу F. Для машин потужністю менше 1000 рекомендується розімкнута система вентиляції, а для машин потужністю більше 1000 - замкнена система вентиляції з відбором повітря у вентиляційні канали.

Регулятори частоти обертання необхідні тільки при роботі на ізольоване навантаження. У цей час використовуються, як правило, електронні регулятори з модульними елементами. Для гідрогенераторів, що працюють на енергосистему, а так само для гідротурбін з нерухомими лопатками робочого колеса й лопатками напрямного апарата необхідна установка пускозупиняючих пристроїв.

Ступінь автоматизації роботи гідроагрегата визначається відмовою від ручного керування. Автоматизація повинна забезпечувати підтримку стандартної частоти обертання при регулюванні навантаженням, задані режими роботи ГЕС, розхід, задану частоту обертання, пуск і зупинку необхідного числа гідроагрегатів для одержання максимального ККД, запобігання від кавітації.

Автоматизація повинна так само забезпечувати регулювання рівнів при пропуску паводків, дистанційне керування й передачу показань, пуску-зупинки, синхронізацію гідроагрегата.

Для забезпечення надійної роботи устаткування контролюються наступні параметри гідроагрегата з передачею сигналу на диспетчерський пункт:

1 для гідротурбін - висока температура підшипників, механічні поломки, зниження тиску масла;

2 для генераторів - підвищення частоти обертання, перевантаження, перегріви, коротке замикання;

3 для допоміжного устаткування - втрата напруги й захисти.

5. Вибір параметрів турбіни

За заданими напором та витратами за допомогою номограми зображеної на рисунку 5.1 обираємо необхідні параметри для прямоточної горизонтальної турбіни з S-образною відсмоктуючою трубою.

На вісі абсцис, де розташований напір шукаємо значення робочого напору . На вісі ординат, де розташований розхід, шукаємо позначку витрат . Перетинаючи ці дві лінії з лінією потужності отримуємо значення . Таким же чином, на перетині ліній напору і витрат з лінією, яка відображає діаметр турбіни, ми отримуємо значення .

Маючи значення витрат та діаметру гідротурбіни можемо визначити частоту обертів турбіни. Для цього від позначки на вісі абсцис підіймаємося вертикально вгору до прямої, яка відображає значення діаметру гідротурбіни , а потім рухаємося по горизонталі вліво до перетину з віссю ординат і отримаємо значення .

Рисунок 5.1 - Номограма для вибору характеристик турбіни

6. Економічна частина

Доцільність зведення малої ГЕС визначають у результаті економічного аналізу розрахунками економічної ефективності їх будівництва. Основним методом оцінки економічної ефективності будівництва міні ГЕС, як і для звичайних гідроенергетичних об'єктів, є метод порівняльної ефективності. По цьому методу зіставляють витрати, які пов'язані зі спорудою та подальшою експлуатацією енергетичного об'єкту що розглядається, з аналогічними витратами по альтернативному проектному рішенню, який забезпечує такий самий енергетичний ефект при дотриманні надійності і якості енергопостачання відповідно з необхідними нормами. Економічно виправданим є варіант, який має найменші витрати.

Визначимо яку кількість електроенергії можна виробити за рік:

	(6.1)

==

де - установлена потужність;

- кількість годин використання установленої потужності.

Питома витрата умовного палива на 1 на ТЕС:

Питома витрата вугілля на 1 :

Річні витрати умовного палива:

	(6.2)

Річні витрати вугілля:

	(6.3)

Витрати на придбання палива (вугілля):

	(6.4)

де - вартість за тону вугілля.

Кількість викидів СО₂ в атмосферу при спалюванні палива:

	(6.5)

де К - викид на 1 кг вугілля.

Вартість викиду СО₂ за 1т:

10 євро (105грн.)

Економія за рахунок продажу квот на викид СО₂:

	(6.6)

Економія поточних витрат за рахунок продажу квот:

	(6.7)

Витрати на придбання турбін для міні ГЕС (за даними АО "Турбоатом"):

Для обслуговування двох турбін необхідно п'ять чоловік із середньою заробітною платнею по 2000 грн. на місяць:

Річний економічний ефект від спорудження міні ГЕС з урахуванням амортизаційних відрахувань:

	(6.8)

Період окупності проекту:

	(6.9)

=

7. Охорона праці і навколишнього середовища

7.1 Загальні питання з охорони праці

Сучасний стан охорони праці в Україні можна охарактеризувати як такий, що викликає серйозне занепокоєння. Створення безпечних умов праці - це невід'ємна частина соціально-економічного розвитку держави, складова державної політики, національної безпеки та державного будівництва, одна з найважливіших функцій органів виконавчої влади, місцевих державних адміністрацій, виконавчих органів, рад, підприємств.

Охорона праці базується на законодавчих, директивних і нормативно-технічних документах. Основними законодавчими документами є: Конституція України, кодекс законів про працю, а також Закон України "Про охорону праці" що визначає основні положення по реалізації конституційного права громадян на охорону їхнього життя і здоровця в процесі трудової діяльності, регулює за участю відповідних державних органів взаємини між власником підприємства, установи й організації або уповноваженим органом і працівником з питань безпеки, гігієни праці виробничого середовища та встановлює єдиний порядок організації охорони праці в Україні. Чинність закону поширюється на всі підприємства, установи й організації незалежно від форм власності і видів їхньої діяльності, на всіх громадян, що працюють, а також притягнуті до роботи на цих підприємствах

Необхідність забезпечення здорових і безпечних умов праці, формування ціннісних орієнтацій пріоритетності життя і здоровця людей стосовно результатів виробничої діяльності, визначає потреба належного підготування спеціалістів всіх освітньо-кваліфікаційних рівнів з питань охорони праці. Охорона праці пов'язана з багатьма науками і дисциплінами, що вивчають людину в процесі праці. Основними серед них є: безпека життєдіяльності, наукова організація праці, ергономіка, інженерна психологія й технічна естетика. У таблиці 7.1.1 приведені закони і нормативні документи, що використані у розділі.

Таблиця 7.1.1 - Закони і нормативні документи, що використані в розділі.

Позначення закону або нормативного документу	Назва закону або нормативного документу	Дата затвердження і введення в дію	Орган влади, що затвердив документ
Закон України	Про охрану труда	25.11.2002 р.	Верховна Рада України
Закон України	Про охрану окружающей природной среды	25.06.1991 р.	Верховна Рада України
ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ	Опасные и вредные производственные факторы	Уведений 01.01.1975 р.	Кабінет Міністрів
	Класифікація
ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ	Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху в рабочей зоне	Уведений 01.01.1989 р.	Кабінет Міністрів
ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ	Шум. Общин требования безопасности	Уведений 01.07.1983 р.	Кабінет Міністрів
ГОСТ 12.1.003-89 ССБТ	Санитарные нормы допустимих уровней шума на рабочих местах № 3223-85	Уведений 1985 р.	Кабінет Міністрів
ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ	Вибрационная безопасность	Уведений 01.07.1991 р.	Кабінет Міністрів
ГОСТ 12.1.045-84 ССБТ	Правила охраны труда про эксплуатации ЕОМ	Уведений 01.07.1985 р.	Кабінет Міністрів
ГОСТ 12.2.007-75 ССБТ	Электрические изделия. Общин требования безопасности	Уведений 1970 р.	Кабінет Міністрів
ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ	Пожарная безопасность	Уведений 01.07.1991 р.	Кабінет Міністрів

Сьогодні комп'ютерна техніка широко застосовується у всіх сферах людської діяльності. Усе більш людей різних професій не можуть обійтись без допомоги комп'ютера. Тому необхідно приділяти більше уваги забезпеченню безпечних і нешкідливих умов праці користувачів ЕОМ.

7.2 Небезпечні та шкідливі виробничі фактори

Шкідливий виробничий фактор - це фактор, вплив якого на працюючого в певних умовах призводить до захворювання або зниження працездатності. При роботі на комп'ютері на людину впливають ряд шкідливих і небезпечних факторів, що класифікуються відповідно до ГОСТ 12.0.003-74.

Перелік шкідливих і небезпечних виробничих чинників і джерела їх виникнення при виконанні робіт на ЕОМ в обчислювальному залі приведені в таблиці 7.2.1

Таблиця 7.2.1 Перелік шкідливих і небезпечних факторів

Найменування фактора	Джерела виникнення
Висока електрична напруга	Мережа живлення ПЕОМ
Підвищений рівень статичної електрики	Діелектричні поверхні
Електромагнітні випромінювання	ЕЛТ
Підвищений рівень іонізації повітря	Рентгенівське випромінювання монітора і статична електрика
Рентгенівське випромінювання	ЕЛТ
Підвищений рівень шуму і вібрації	Пристрої охолодження ЕОМ, друкувальні пристрої
Підвищена пульсація світлового випромінювання	Лампи денного світла, екран монітора
Пожежонебезпека приміщення	Наявність спалених матеріалів і джерел запалювання
Психофізіологічні фактори	Перенапруга зору, монотонність праці, розумові і емоціональні перевантаження

7.2.1 Освітлення

Основна інформація про навколишній світ - близько 90% - надходить через зорове сприйняття. Раціональне виробниче освітлення має попереджати розвиток зорового і загального стомлення, забезпечувати психологічний комфорт при виконанні тих чи інших видів зорових робіт, сприяти забезпеченню працездатності, поліпшенню якості продукції, зниженню виробничого травматизму, а також підвищенню безпеки праці.

Особливістю роботи за дисплеєм комп'ютера є постійна і значна напруга функцій зорового аналізатора, обумовленого необхідністю розходження самосвітних об'єктів (символів, знаків тощо), при наявності відблисків на екрані, рядковій структурі екрана, мерехтінням зображення, недостатньою чіткістю об'єктів розходження.

Для зручності роботи в приміщенні необхідно правильне освітлення: у світлий час доби - природне освітлення, у темний час - штучне. Освітлення регламентується відповідно до вимог БНіП П-4-79. Будівельні норми і правила. Природне і штучне освітлення.

Обчислювальний зал забезпечений комбінованим освітленням: у світлий час доби - бокове одностороннє природне освітлення три віконних прорізи, у темний час загальне і/або місцеве рівномірне штучне.

У таблиці 7.2.2.1 приведені нормативні показники освітлення робочої зони (природного і штучного).

Таблиця 7.2.2.1 - Освітлення виробничого приміщення

Наіменування приміщення	Площа підлоги, м?	Розряд зорової праці	Освітлення
			Природне	Штучне
			Вид освітлення	КПО,%	Нормоване освітлення
Обчислювальний зал	35м?	Ш-г	бокове	1,44	300-500

Природне освітлення нормується коефіцієнтом природної освітленості (КПО). Нормовані значення КПО для будинків, розташованих в I, II, IV, V поясах світлового клімату СНД, визначається по формулі 7.2.2.1:

eHIV= eHIII·m·c	(4.1)

де e_H^IV - значення КЕО для третього поясу світлового клімату СНД;

m - коефіцієнт світлового клімату,

c - коефіцієнт сонячного клімату.

Нормативний коефіцієнт e_H^III - 2%, що відповідає III розрядові зорових робіт середньої точності з найменшим розміром об'єкта розрізнення 0,3мм, підрозряд - г. Для міста Харкова, що знаходиться в IV поясі світового клімату, значення m = 0,9 і с = 0,8 (вікна приміщення виходять на схід).

7.2.2 Шум

Шум - безладне сполучення неприємних звуків для людини. Звук становить собою коливальний рух часток пружного середовища, що поширюється хвилеподібно.

Виробничим шумом називається шум на робочих місцях, на ділянках підприємства, що виникає під час виробничого процесу.

Вплив шуму на організм людини залежить від рівня звукового тиску, частотних характеристик, тривалості дії, а також індивідуальних особливостей людини. Підвищені рівні шуму при тривалій дії спричиняють швидку втому, погіршення самопочуття, зниження гостроти зору і, врешті-решт, через подразнення нервової системи викликають множинний розлад функцій внутрішніх органів (порушення кров'яного тиску, ритму серця та дихання та інше) - "шумову" патологію.

Характер впливу шуму залежить від виду його джерела. У помешканні обчислювального центру виникає механічний шум (тобто шум, що виникає в результаті роботи різноманітних механізмів внаслідок їхньої вібрації).

Джерелами шуму в обчислювальному залі є комп'ютери, оргтехніка: телефони, принтер, факс, кондиціонери й інше устаткування.

Відповідно до вимог ГОСТу 12.1.003-83 рівень звукового тиску не повинний перевищувати 50дБА.

7.3 Електробезпека

Сучасне виробництво нерозривно пов'язано з використанням електроенергії. В умовах експлуатації потужних енергосистем, електричних машин та апаратів, розвитку обчислювальної техніки і приладобудування важливого значення набуває проблема в електробезпеці.

Основні вимоги безпеки, що відносяться до конструкцій машин і механізмів - це безпека для здоров'я і життя людей.

Експлуатована в процесі проходження практичної роботи ПЕОМ є однофазним споживачем електроенергії в чотирьох провідній трифазній мережі перемінного струму напругою 380/220В з частотою 50 Гц і ізолюючою нейтраллю.

Джерелами можливого враження електричним струмом для працівника ПК можуть бути: комп'ютер, принтер та інша офісна техніка, що під'єднана до електричної мережі.

Передбачені наступні заходи електробезпеки:

1 конструктивні;

2 схемно-конструктивні.

Електромережа штепсельних розеток для живлення ПЕОМ розташована уздовж стін приміщення в металевих трубах і в металевих рукавах, що гнуться, з підведеннями до плану розміщення устаткування.

Для захисту персоналу від ураження електричним струмом ПЕОМ мають робочу ізоляцію й елемент занурення згідно.

Лінія електромережі для живлення ПЕОМ виконана як окрема групова трьох провідна мережа, використовуючи фазовий провід, нульовий робочий провід і нульовий захисний провід. Нульовий захисний провід прокладається від щита розподілу до розеток живлення.

7.4 Пожежна безпека

Пожежі на підприємствах виникають у більшості випадків від несправності технологічного обладнання, електроустаткування та інших приладів, необережного поводження з вогнем та порушення правил пожежної безпеки обслуговуючим персоналом.

Пожежна безпека відповідно до ГОСТу 12.1.004-85 забезпечується системами запобігання пожежі, пожежного захисту, організаційно-технічними заходами.

Будинок, у якому розташовано обчислювальний зал, відноситься до к5атегорії В вибухопожежної безпеки, ступінь вогнестійкості будинку II, через присутність твердих згораючих матеріалів, таких як: робочі столи, ізоляція, папір та інше. У помешканні відділу сухо, відносна вологість 50-55%, температура повітря не перевищує 26?С.

Система запобігання пожежі включає: контроль і профілактику ізоляції, наявність плавких вставок і запобіжників в електронному устаткуванні, використання заземлення для захисту від статичної електрики. У системі пожежного захисту передбачене аварійне відключення і переключення апаратів і комунікацій. При виборі засобів гасіння пожежі для забезпечення безпеки людини від можливості поразки електричним струмом у приміщенні передбачене використання двох вуглекислих вогнегасників ОУ 5 об'ємністю 5 літрів. Застосування пінних вогнегасників виключне, тому що ЕОМ може знаходитися під напругою. Вогнегасники знаходяться на видному і доступному місці.

Організаційні міри пожежної профілактики: навчання персоналу правилам пожежної безпеки; видання необхідних інструкцій і плакатів, плану евакуації персоналу у випадку пожежі.

7.5 Охорона навколишнього середовища

Навколишнє природне середовище - це все живе, що оточує людину - ландшафти, природнокліматичні зони, рослинний і тваринний світ, повітря, грунт, водяні, лісові, кліматичні ресурси, корисні копалини.

Кризова екологічна ситуація в Україні, а також високі темпи виробництва, високий рівень урбанізації стали основними причинами прийняття постанови Верховної Ради "Про основні напрямки державної політики України в області охорони навколишнього природного середовища, використання природних ресурсів і забезпечення екологічної безпеки".

Закон України "Про охорону навколишнього середовища" визначає правові, економічні, соціальні основи охорони навколишнього природного середовища.

Завдання закону полягає в регулюванні відносин в галузі охорони природи, використанні і відтворенні природних ресурсів, забезпеченні екологічної безпеки, попередженні і ліквідації наслідків негативного впливу на навколишнє середовище господарської й іншої діяльності людини, збереження природних ресурсів, генетичного фонду нації, ландшафтів і інших природних об'єктів.

У зв'язку з масивним забрудненням навколишнього середовища, питання охорони її з регіональних, внутрішньодержавних вилилися в міжнародну, загальносвітову проблему. Всі розвинені країни визначили охорону навколишнього середовища одним з найбільш важливих аспектів боротьби людства за виживання.

У стандартах ТСО-99 закладене обмеження по кадмію у світлочутливому шарі екрана дисплея і ртуті в батарейках. Апарати, тара і документація повинні допускати нетоксичну переробку після використання. Міжнародні стандарти, починаючи з ТСО-92 включають вимоги зниженого енергоспоживання й обмеження припустимих рівнів потужності, споживаних у неактивному режимі.

Що стосується роботи обчислювального залу, можна говорити про повне дотримання норм і правил передбачених законодавством України. Усі правила і норми по організації збору і вивозу сміття з підприємства дотримуються.

Висновки

У даній дипломній роботі розглянуті проблеми сучасної енергетики і одним із напрямків часткового вирішення запропонований варіант розвитку малої гідроенергетики. Вона базується на використанні відновлювальних джерел і є екологічно безпечною, а також собівартість такої енергетики значно нижча за інші види (наприклад теплову).

Розроблений проект спорудження малої гідростанції на вже діючій греблі Печенізького водосховища. є перспективним відповідає сучасним вимогам по захисту навколишнього середовища та має економічну привабливість. Завдяки такій децентралізованій гідростанції Печенізький район може не залежати від центральних мереж електропостачання, самостійно забезпечувати себе електроенергією, а надлишки продавати до центральної мережі.

У подальшому майбутньому може бути розглянутим варіант спорудження ще й вітроенергетичних установок у цьому районі, як доповнення до даного проекту.

Перелік використаної літератури

1 http://www.solarhome.ru/hydro/index.htm

2 http://www.vashdom.ru/articles/enkrizis.htm

3 А. В. Праховник Малая энергетика: распределённая генерация в системах энергоснабжения. - Київ "Освіта України" 2007 р. - 463с.

4 Л. П. Михайлова Малая гидроэнергетика - Москва Энергоатомиздат 1989 г. - 180 с.

5 В.М. Широков, П. С. Лопух Формирование малых водохранилищ гидроэлектростанций - Москва Энергоатомиздат 1986 г.

6 Ластер Браун та інші Стан світу 2000. Доповідь інституту всесвітнього спостереження про прогрес до сталого суспільства - Київ "Інтелсфера" 2000 р. - 312 с.

7 И. Н. Смирнов Гидравлические турбины - Государственное энергетическое издательство Москва - Ленинград 1956 г.- 388 с.

8 Ю. С. Васильев, Д. С. Щавелев Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций справочное пособие в двух томах, том 1 Основное оборудование гидроэлектростанций - Москва Энергоатомиздат 1988 г. - 400 с.