Как работи мощна водноелектрическа централа

В Русия водни електроцентрали се строят на реки от незапомнени времена. От запазените древни хроники е известно, че руският народ още през XIII век. умело изградени инсталации с водно задвижване за въртене на воденични камъни.

През XIV-XV век. водните мелници вече бяха широко разпространени. Те се споменават в ръкописни документи от онова време. Естествената енергия на реките започва да се използва още по-широко през 16 и 17 век. Близо до Москва на реката. През 1519 г. Neglinnaya вече имаше три водени мелници и една смачка, която почистваше зърното в хоросани. Но всички тези инсталации с водни колела бяха с ниска мощност.

През 1524 г., както се казва в Псковската хроника, новгородците под ръководството на „известен хитър“ майстор Нережи Псковитин се осмеляват да създадат язовир и мощна водноелектрическа централа на дълбокия и дълбок Волхов. Тази водноелектрическа централа, построена за първи път в света на голяма река, работеше успешно известно време.

Реките са много разнообразни по природа. Например бурният, гърмящ Терек произхожда от подоблачните ледници на Казбек. Изобщо не прилича на широката Волга, плавно, небрежно, носеща водите си в ниските брегове.

Ясно е, че не е необходимо да се получава енергия от планината Терек и от равнинната Волга по същия начин. Водноелектрическите централи на тези две реки трябва да бъдат напълно различни по дизайн. И така, при стръмно падащи и бързи планински потоци водата се отклонява от отклонителен канал (виж статията „Завоюване на вода“). Тръбите са положени под наклона от края на канала. Чрез тях водата тече под налягане към сградата на електроцентралата. Той стои в дълбините на долината на брега на реката. Ако скалите по склоновете на пролома са стръмни и недостъпни, водата се отклонява от подземен отклонителен тунел. На дълбоки реки, протичащи спокойно по нежни равнини, налягането се създава от язовир. Хидроелектрическите инсталации от този тип в планинските реки се наричат деривационни, а обикновените, в равнинните реки, се наричат.

Как е подредена мощна язовирна водноелектрическа станция, подобна, например, на най-голямата волжска водноелектрическа станция?

Основните структури на водноелектрическата централа в равнинната река са язовирът и сградата на водноелектрическата централа. Нивото на водата пред язовира е по-високо, отколкото надолу по течението на реката. Тази разлика във височините на нивата се нарича главата на водноелектрическата станция. Водата, която непрекъснато прелива от по-високо на по-ниско ниво, може да свърши много полезна работа.

Резервоар обикновено се формира пред водноелектрическия язовир. През пролетта се попълва с топена вода и я задържа до настъпването на зимата. А през зимата или лятото суша, резервоарът добавя вода всеки ден към оскъдния естествен поток на реката по това време на годината. Това поддържа капацитета на електроцентралата, който трябва да бъде доста еднакъв през цялата година.

Хидроинсталация 4 на обикновена река обикновено включва бетонови и земни язовири. Необходим е бетонен язовир, който да изхвърля излишните пролетни води през него. Останалата част от язовира обикновено е изградена от пръст и пясък.

В сградата на водноелектрическата централа се помещават основните машини - турбини и генератори, които генерират електричество. Водна турбина и свързан към нея електрически генератор се наричат машинната единица на водноелектрическа станция.

Водната турбина или водната турбина е основният двигател на водноелектрическата станция. При водноелектрическите централи с ниско водно налягане, не по-високо от 50-70 m, се използват хидравлични турбини с ротационни лопатки. Колелото им прилича на витло на параход. Такива турбини са по-изгодни от други, защото са по-бързи. И това намалява теглото и разходите както на самата водна турбина, така и на електрическия генератор, който тя върти (за повече подробности вижте статията "Генератори и двигатели"). Пред водопровода на турбината е подредена честа метална решетка. Той улавя клони на дървета, парчета торф, чипс и други предмети, паднали в реката. Освен това водата навлиза в тръбата, която има спираловидна форма и прилича на черупката на огромен охлюв. В центъра му се върти турбинно колело. Тази тръба се нарича спирална камера и служи за подаване на вода директно към турбината.

Първата част на турбината на Каплан (отброяваща по пътя на водния поток) е водещата лопатка. Състои се от остриета, които се въртят около осите си и лесно се насочват от водата. Те са разположени по обиколката от външната страна на турбината. Чрез завъртане на лопатките на направляващата лопатка е възможно да се намали или увеличи входът на водата в турбината, за да се промени нейната мощност. Това поддържа постоянна скорост на турбината при всяко натоварване.

От направляващата лопатка водата тече към работното колело. Всъщност той използва енергията на водния поток. Работното колело се състои от втулка, монтирана на вала, към която са прикрепени плавно извити метални остриета. Те могат да се въртят около осите си в пълно съответствие с промените в положението на водещите лопатки. Турбините от този дизайн имат от 4 до 8 лопатки, в зависимост от височината на водното налягане, при което работят. Диаметърът на работното колело на хидравлична турбина зависи от неговата мощност и налягане на водата и може да достигне 9 w и повече.

От работното колело водата се влива в смукателната тръба. Това е третата важна част от хидравличния агрегат. Чрез него отпадъчните води от турбината се вливат в реката под язовира. Всмукателната тръба създава намалено водно налягане под работното колело, което значително увеличава мощността на турбината. С такава тръба турбината може да бъде поставена над долното ниво на водата.

Хидротурбината се превръща в полезна работа най-много - около 0,9 - от общата енергия на водния поток. Поради това е обичайно да се каже, че ефективността на водна турбина е много висока - около 90%. Полезната ефективност на хидравличната турбина с ротационни лопатки на работното колело е висока не само при пълно, но и при частично натоварване.

Турбините са оборудвани с автоматични регулатори. Те работят с течно минерално масло под високо налягане. Самият регулатор, без човешка намеса, отваря и затваря направляващата лопатка, а също така върти лопатките на работното колело, т.е. увеличава или намалява мощността на турбината.

Турбината на електроцентралата върти електрическа машина - хидрогенератор. Електрическият генератор, въртян от водна турбина, се различава значително по дизайн и голям размер от генераторите, инсталирани в парни електроцентрали. Шахтата му обикновено е разположена вертикално. Една от частите на хидрогенератора е неподвижно легло - статор. Това е цилиндър, кух вътре, направен от компресирани снопове от тънки стоманени листове. От вътрешната страна на статора, в специални канали или канали, електрическата намотка е подсилена от добре изолирани медни проводници.

Вътре в статора се върти барабан, монтиран на вал - ротор. Върху него са фиксирани полюсите на силни електромагнити. Знаете, че ако обвиете железен прът с изолирана тел и прокарате постоянен електрически ток през него, пръчката става електромагнит. Ето как се магнетизират полюсите на ротора.

Малък спомагателен генератор - възбудител - се задвижва от шахтата на хидрогенератора. Той генерира постоянен електрически ток, за да възбуди магнетизма на полюсите на ротора. Полюсите на електромагнита се движат бързо около завоите на намотката на статора. В намотката се генерира променлив електрически ток. Когато електрическият ток премине през намотките, се генерира топлина и те се загряват. Следователно, охлаждащият въздух постоянно преминава през генератора.

Работата на блоковете на водноелектрическата инсталация се контролира от специален контролен панел. На панелите - панели на конзолата са инсталирани контролни устройства и множество устройства. Те измерват силата на електрическия ток, неговото напрежение и други важни величини. Контролният панел, подобно на огледало, отразява целия живот на водноелектрическа станция. Оттук нататък всички негови машини и апарати се наблюдават и контролират. Контролният панел е като мозъка на водноелектрическата станция, центърът на нейната „нервна система“, който приема сигнали и изпраща точни заповеди до всички звена.

Хидроелектрическите инсталации стават все по-автоматизирани. Някои станции работят без хора, със заключени врати на турбинната зала.

Напрежението на електрическия ток, генериран от хидрогенератора, в сравнение с напрежението на електропровода е ниско - от 6 до 16 хиляди волта. Невъзможно е да се предава ток с такова напрежение на големи разстояния. За да направите това, е необходимо да увеличите напрежението, например, до 200 хиляди волта, а при особено големи разстояния на предаване - до 500 и дори до 800 хиляди волта. Напрежението се увеличава с помощта на трансформатор.

Обикновено се поставя на открито място в близост до генератора. Всички части са неподвижни в трансформатора. Състои се от тежка сърцевина, изработена от плътно пресовани и болтови тънки стоманени листове. В сърцевината има две намотки от медни проводници, покрити с изолация. Чрез една намотка, с малък брой завъртания на дебели проводници, преминава променливият ток на генератора, ниско напрежение, генерирано от генератора. Под действието на този ток желязната сърцевина се магнетизира и възбужда във втората намотка, с голям брой завои на тънък проводник, променлив електрически ток с високо напрежение.

Стойността на полученото високо напрежение е толкова пъти по-голяма от първичното, ниско напрежение, колко оборота на тънка намотка е по-голяма от броя на завоите на по-дебела намотка.

Така че токът с високо напрежение във втората намотка не може да пробие изолацията му и по този начин да създаде късо съединение (а също и за добро охлаждане), цялата сърцевина на трансформатора, заедно с намотките, се поставя в железен резервоар. Резервоарът се пълни с течно минерално масло, което е непроводимо. Краищата на намотките се освобождават от резервоара навън през порцелановите втулки. Трансформаторите често са направени трифазни: те имат три първични и три вторични намотки. Три края от тънка намотка с голям брой завои са свързани към три проводника на електрическа линия, водещи до потребители в отдалечени райони.

На местата, където се консумира електричество, променливият ток с високо напрежение трябва да се преобразува отново в ток с ниско напрежение, който захранва лампи за електрическо осветление, електрически двигатели и др. Тази обратна трансформация на електрическа енергия се извършва и от трансформатори. Устройството им е подобно на описаното по-горе.

Тези трансформатори се наричат понижаващи трансформатори.

По този начин евтината енергия на Волжката водноелектрическа станция се предава в района на Москва на много голямо разстояние - 900 км при напрежение от 400 хиляди волта.

Атомна електроцентрала

Учените отдавна посочват, че дълбоко в атомите - най-малките частици от материята - са скрити наистина страхотни запаси от енергия, които могат да бъдат освободени. Но човечеството е получило малка част от тези резерви съвсем наскоро - в края на 30-те години на нашия век. Оказа се, че ядрата на най-тежките елементи (според периодичната таблица на елементите на Менделеев) - уран и торий - се делят под въздействието на неутрони. Разпръсквайки се с голяма скорост, тези частици (фрагменти от делене) могат да прехвърлят част от енергията си към веществото, в което се движат. Освен това по време на делене се появяват нови неутрони. Те от своя страна причиняват разпадането на ядрата на други атоми. По този начин може да възникне верижна реакция, при която броят на цепенията ще нараства, подобно на лавина.

На тази основа е проектирана атомната (по-правилно би било да се каже „ядрена“) бомба. В него вътреядрената енергия се освобождава моментално - със страшна експлозия. Но в същото време стана ясно, че е възможно да се изграждат инсталации, в които ядрената енергия да се освобождава бавно. Броят на ядрените цепки и отделената енергия в този случай са регулирани и следователно строго постоянни. Такива устройства се наричат ядрени котли или ядрени реактори и ядрените верижни реакции, протичащи в тях, се контролират.

Засега тези устройства имат ниска ефективност. Но в сравнение с конвенционалните електроцентрали, използващи нефт, въглища и други горива, те имат много значителни предимства. Така че, ако конвенционалните инсталации изгарят стотици тонове гориво, тогава ядрените реактори със същата мощност консумират само няколко грама. Но само изследваните запаси от уран и торий са 20 пъти по-високи като количество енергия, скрита в тях, от всички известни световни запаси от въглища и нефт. Но уранът все още е скъп, преработката му е трудна.