2.4. Гидроэлектрические станции

2.4.1. Общие положения

Гидроэлектрическая станция— это комплекс сооружений и оборудования, посредством которого энергия водотока преобразуется в электрическую энергию. Она состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание сосредоточенного напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущегося под напором воды в электрическую энергию.

Совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования принято называть гидроэнергетической установкой. Различают следующие основные их типы:

— гидроэлектростанции (ГЭС);

— гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

— приливные электростанции (ПЭС).

Гидроэлектрические станции — это высокоэффективные источники электроэнергии. В большинстве случаев гидроэлектростанции представляют собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие нужды энергетики и других отраслей народного хозяйства: мелиорации земель, водного транспорта, водоснабжения, рыбного хозяйства и других отраслей.

Сразу отметим ряд достоинств ГЭС, обеспечивающих их высокую эффективность. ГЭС работают на возобновляемом энергоресурсе, использование которого не истощает топливных запасов Земли.

Агрегаты ГЭС обладает очень высокой манёвренностью, способны быстро изменять выдаваемую в энергосистему электрическую мощность. Таким образом, ГЭС способны эффективно работать в периоды кратковременных максимумов (пиков) нагрузки. В аварийных условиях дефицита электрической мощности в энергосистеме ГЭС обеспечивают быстрый ввод дополнительной мощности, что значительно повышает надёжность работы всей системы в целом и позволяет уменьшить резервные мощности на ТЭС.

ГЭС лучше других электростанций приспособлена к автоматическому управлению и требуют меньше эксплуатационного персонала, чем аналогичной мощности ТЭС (в четыре раза) и АЭС (в шесть раз). Некоторые ГЭС сравнительно небольшой мощности работают вообще без постоянного обслуживающего персонала полностью в автоматическом режиме.

Существенно и то, что на ГЭС отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, воду, почву.

Однако существует и ряд проблем при использовании ГЭС. Прежде всего, ограниченность гидроэнергетических ресурсов, неравномерность их распределения, в том числе наличие мощных источников гидроэнергии в удалённых и труднодоступных местах. При сооружении ГЭС приходится выполнять большие объемы строительных работ, возводить высокие плотины и т.д., что увеличивает сроки строительства до 10...15 лет. Оказывает гидроэнергетика и негативное влияние на экологию, что подробнее рассмотрено ниже.

2.4.2. Гидроэлектростанции (гэс)

По схеме использования водных ре­сурсов и концентрации напоров ГЭС обыч­но подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и без­напорной деривацией, а также комбинированные. В зависимости от напора ГЭС подразделяют на высоконапорные (более 80 м), средненапорные (от 25 до 80 м) и низконапорные (до 25 м).

В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, пе­регораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах. Технологические схемы таких ГЭС показаны на рис. 2.18.

ГЭС с русловым зданием (рис. 2.18а) характеризуется тем, что ее здание входит в состав водонапорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Конструкция здания в этом случае должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. Размеры здания, в частности его высота, поэтому русловые ГЭС строятся при сравнительно небольших напорах — до 40 м.

ГЭС с приплотинным зданием (рис. 2.18б) характеризуется тем, что ее здание располагается за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных современных ГЭС такого типа напор доходит до 300 м.

Деривационная схема ГЭС позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода вода из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольных уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Эта разность уровней и является напором ГЭС.

При безнапорной деривации (рис. 2.19) отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например, открытым каналом. Длина деривационного канала бывает от сотен метров до десятков километров. Для забора воды в канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам подается к турбинам в здание станции. Прошедшая через турбины вода возвращается в русло реки по отводящему каналу.

При напорной деривации (рис. 2.20) отвод воды из реки осуществляется по напорному туннелю. Существуют также комбинированные схемы, в которых напор создается как плотиной, так и деривационными сооружениями.

Сооружение деривационных ГЭС целесообразно в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малых расходах воды.

Принцип работы ГЭС всех типов одинаков. Вода под действием силы тяжести движется по водоводам из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором синхронного генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидрогенератор. В турбине энергия водотока преобразуется в механическую энергию вращения, а генератор преобразует эту энергию в электрическую.

Существует целый ряд конструкций гидравлических турбин (рис. 2.21). Тип используемой турбины зависит от напора. На низконапорных ГЭС используют или пропеллерные или более экономичные поворотно-лопастные турбины (рис. 2.21 вид), которые имеют подварианты: двухперовые (е) и диагональные (ж). Средненапорные ГЭС в основном используют радиально-осевые турбины (в), наконец, высоконапорные ГЭС используют как радиально-осевые, так и ковшовые турбины (б). На рис. 2.21 также показана технология использования ковшовой турбины.

Зависимость выбора вида турбины от величины напора прежде всего связана с явлением кавитации — образованием пузырьков, заполненных паром. Пузырьки пара появляются в результате резкого падения давления воды ниже критического при ее движении в турбине в тех местах, где увеличивается скорость. При снижении скорости и увеличении давления происходит скачкообразное превращение пара в воду. В этом месте возникают гидравлические удары, приводящие в конечном итоге к разрушению турбины. Радиально-осевые турбины в меньшей степени подвержены кавитации, еще в меньшей степени подвержены кавитации ковшовые турбины.

Вода подается на лопатки турбины из спиральной камеры через направляющий аппарат. Спиральная камера обеспечивает равномерный подвод воды ко всем лопаткам одновре-менно, а направляющий аппарат обеспечивает необходимые углы подачи воды. Двойное регулирование угла подачи воды (направляющим аппаратом и поворотом лопастей) обеспечивает автоматическое поддержание высокого КПД в широком диапазоне изменения мощности.

Для любого типа ГЭС мощность, вырабатываемая одной турбиной, равна:

P = 9,81∙Q∙H∙η, кВт.

Здесь Q— расход воды через турбину, м³/с;H— напор, равный разности отметок горизонтов верхнего и нижнего бьефов, м;η— КПД, зависящий от типа и режима работы турбины. Значение КПД турбины, а также его изменение, обусловленное изменением расхода воды, определяется по справочным материалам.

Для наиболее полного преобразования энергии воды в механическую энергию для всех типов турбин скорость движения лопаток выбирается такой, что на их выходе абсолютная скорость движения воды равна нулю. При этом частота вращения вала турбины равна

, об./мин.,

где n_s— коэффициент быстроходности турбины, численно равный частоте вращения вала турбины данного типа при мощности и напоре соответственно 0,736 кВт и 1 метр. Значения этого коэффициента также приводятся в справочных материалах.

В то же время, как было показано ранее, частота вращения вала турбины определяется числом пар полюсов синхронного генератора. По принципу действия синхронные генераторы ГЭС ничем не отличаются от синхронных генераторов тепловых станций. Однако они выполняются на гораздо меньшее число оборотов. Роторы синхронных генераторов выполняются явнополюсными, с большим числом пар полюсов (от 5 до 48). Соответственно скорости вращения вала турбины могут составлять от 600 до 62,5 об./мин. (По другим данным — от 16⅔ до 1500 об./мин.) Как и в случае тепловых станций, генераторы выпускаются под конкретную турбину. Генератор в сочетании с турбиной называется гидрогенератором.

Гидрогенераторы подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Вертикальные гидрогенераторы выполняются: подвесного типа (рис. 2.22 а), зонтичного типа с опорой на нижнюю крестовину (рис. 2.22 б) или зонтичного типа с опорой на крышку турбины (рис. 2.22 в).

Горизонтальные гидрогенераторы (рис. 2.23) выполняются погружного типа и заключаются в водонепроницаемую оболочку.

Мощности единичных гидроагрегатов определяются, прежде всего, параметрами источников гидроэнергии, однако в настоящее время имеется тенденция увеличения мощности применяемых гидрогенераторов. Наиболее мощными являются гидрогенераторы, установленные на ГЭС Итайпу (Бразилия) - 823,6 МВА и Саяно-Шушенской ГЭС (Россия) - 820 МВА.

При эксплуатации ГЭС важнейшей задачей является регулирование речного стока водохранилищами ГЭС. Естественный сток рек очень неравномерен. Например, в половодье за 1…3 месяца проходит 60...70% годового стока. Интенсивность стока изменяется также из года в год (дожди, засуха). На эти изменения накладывается неравномерная потребность в электрической энергии, а значит, и в запасах воды. Потребление электроэнергии зависит от времени суток, дня недели, погодных условий, времени года и ещё целого ряда факторов, многие из которых являются случайными. Всё это приводит к необходимости регулирования стока с помощью водохранилищ, где задерживается избыточный естественный приток, когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока. Для учета изложенных факторов на практике применяют различные циклы регулирования: суточный, недельный, годичный, многолетний.

Разумное планирование всей системы гидроузла в целом, учёт каскадности гидросооружений (например, Волжский каскад ГЭС) и режима гидропотока способны обеспечить экономический, хозяйственный, социальный эффект значительно выше, чем отдельно взятая ГЭС.