13.2. Основные сооружения и оборудование гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция является составной частью гидроузла - комплекса гидротехнических сооружений, предназначенных для ис­пользования водных ресурсов в интересах народного хозяйства: получения электрической энергии, ирригации, водоснабжения, улучшения условий судоходства, защиты от наводнений, рыбовод­ства и др.

Согласно уравнению N_пот = pgQН мощность гидравлического потока зaвисит от расхода Q и напора Н. Скорость потока воды в реке изменяется по ее длине с изменением сечения русла и гид­равлического уклона. Для концентрации мощности и сосредото­чения напора реки в каком-либо одном месте возводят гидро­технические сооружения: плотину, деривационный канал.

Плотина, перегородив реку, образует водохранилище, достига­ющее иногда таких больших размеров, что его называют морем. Таковы, например, Волгоградское, Цимлянское моря, простираю­щиеся более чем на 100 км. Поверхность воды перед плотиной называется верхним бьефом (ВБ), а за плотиной - нижним бьефом (НБ) (см. рис. 1).

Водосбросные сооружения перепускают воду из верхнего бьефа в нижний во избежание превышения максимального расчетного уровня воды в период паводка, сбрасывают лед, шугу и т. п.

Если река судоходна, то к плотине примыкают шлюзы (судо­подъемники) с подходными каналами для пропуска судов и плотов через гидроузел, перевалки грузов и пересадки пассажиров с вод­ного на сухопутный транспорт и пр.

Для обеспечения отбора и подачи воды неэнергетическим по­требителям в состав гидроузла входят водоприемные сооружения и насосные станции.

Рыбохозяйственные сооружения - это рыбоходы и рыбоподъ­емники для пропуска через гидроузел ценных пород рыб к местам постоянных нерестилищ, рыбозащитные сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения. Иногда рыбу пропускают через шлюзы в процессе шлюзования судов.

Для связи объектов гидроузла между собой, соединения их с сетью автомобильных и железных дорог, а также для пропуска этих дорог через сооружения гидроузла строят транспортные сооружения: мосты, дороги и др.

Для выработки электроэнергии и ее распределения потреби­телям в состав гидроузла входят различные энергетические соору­жения. К ним относятся: водоприемные устройства и водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанций с гидротурбинами, гидрогенераторами и трансформаторами; вспомогательное механи­ческое и подъемно-транспортное оборудование; пульт управления; от­крытые распределительные устройства (ОРУ), предназначенные для приема и распределения энергии.

13.3. Принципиальные схемы гидроэлектростанций

Э ффективное использование энергии водного потока возможно при создании перепада давления воды на коротком участке реки. Это достигается выбором места расположения гидроэлектростан­ции и созданием искусственного сосредоточения перепада в резуль­тате применения рациональной схемы гидроэлектростанции. В прак­тике строительства ГЭС применяются следующие схемы концент­рации перепада уровней воды.

Плотинная схема (рис. 1). Перепад давления концентрирует­ся путем подпора уровня реки в результате создания плотины.

Образующееся при этом водохранилище является регулирующей емкостью, которая служит для создания запасов воды во время паводка и позволяет более полно использовать энергию водотока. Здание ГЭС в этом случае может располагаться либо в теле плотины и составлять ее часть (русловая схема), либо за пло­тиной (приплотинная схема); в последнем случае вода к турбинам подводится по специальным трубам или коротким подводящим ка­налам. Примером плотинной схемы расположения здания ГЭС мо гут служить Волжская, Саратовская, Иркутская и другие ГЭС, а примером расположения здания машинного зала за плотиной — Красноярская, Нурекская ГЭС.

Д еривационная схема (рис. 2). Перепад давления концентри­руется путем отвода воды из естественного русла по искусствен­ному водоводу (деривационному каналу), имеющему меньший гид­равлический уклон. Благодаря такой схеме уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. В зависимости от типа деривационного водовода различают ГЭС с безнапорной и с напорной деривацией. На ГЭС с безнапорной деривацией отвод воды из русла реки осуществляется безнапорными водоводами. Для забора воды в русле реки возводится небольшая плотина, образующая водохранилище. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам подается к турбинам, расположенным в здании ГЭС.

Строительство гидроэлектростанций по деривационной схеме це­лесообразно в горных условиях, где реки имеют большие уклоны при сравнительно малых расходах. В этих условиях при небольших про­тяженности и поперечном сечении деривационного водовода можно получить значительные напор (до 1000 м) и мощность.

К омбинированная схема (рис. 3). Напор создается с помощью плотины и деривационных сооружений. Деривационный водовод в виде напорного туннеля или напорного трубопровода соединяет водохранилище за плотиной с турбинными трубопроводами. Для защиты деривационных напорных трубопроводов от гидравличе­ского удара служит уравнительный резервуар.

Деривационные и комбинированные схемы подвода воды к тур­бинам часто применяются при строительстве ГЭС на горных озе­рах и руслах рек, находящихся на сравнительно небольшом рас­стоянии друг от друга. Электроэнергию можно вырабатывать, ис­пользуя значительные запасы воды горного озера.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Строительство ГАЭС целесообразно в тех районах, где гидроэнергетические ре­сурсы уже в значит ельной степени использованы и возможность строительства новых ГЭС ограничена. ГАЭС могут работать при относительно небольших объемах водных бассейнов; при этом нерав­номерность суточного графика нагрузки энергосистемы устраняется перераспределением электроэнергии, вырабатываемой другими электростанциями. ГАЭС дают большой экономический эффект.

ГАЭС работает в двух режимах: насосном и турбинном, пото­му ее оборудуют обратимыми гидромашинами, способными работать как в качестве насосов, так и в качестве двигателей. При ра­боте в насосном режиме (рис. 4) вода из нижнего бассейна перекачивается в верхний, расположенный на определенной высо­те. ГАЭС работает в насосном режиме, как правило, в ночное время, когда расход электроэнергии в энергосистеме минимальный. В этом режиме ГАЭС потребляет электроэнергию, вырабатывае­мую другими электростанциями, включенными в энергосистему, а в верхнем бассейне создается запас гидравлической энергии.

В турбинном режиме ГАЭС использует для выработки электро­энергии запасенную в верхнем бассейне воду. ГАЭС работает в турбинном режиме в часы "пик", когда нагрузка энергосистемы возрастает.

Помимо обеспечения электроэнергией ГАЭС выравнивает режим работы тепловых электростанций, уменьшая при этом удельный расход топлива на выработку 1 кВтч энергии. Примером такого использования водных ресурсов является Балаковская ГАЭС. Вмес­те с Саратовской ГЭС, Балаковской АЭС и ТЭЦ-4 гидроаккумулирующая станция образует крупнейший энергокомплекс, спо­собный покрывать дефицит электроэнергии в часы максимальной нагрузки.