Принципиальные схемы гидроэлектростанций
Из формул видно, что мощность и выработка (энергоотдача ГЭС) зависят от напора, расхода и объема стока прошедшего через ее турбины. Естественно, что задача использования водной энергии сводится к концентрации падения реки у ГЭС и к пропуску через турбины возможно большей части объема годового стока.
При наличии естественного водопада решение этой задачи упрощается, но это редко. Чаще прибегают к искусственному сосредоточению перепада. Что возможно различными способами.
Плотинная схема ГЭС предусматривает создание подпора с помощью плотины, тогда водохранилище используется как регулирующая емкость для более полного освоения энергии водотока.
Для использования падения всей реки необходимо соорудить несколько плотин одну за другой от верховья до устья, и при каждой из них построить ГЭС.
Деривационная схема позволяет получать сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему малый продольный уклон. Тогда уровень в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Этой разностью и создается необходимый напор на ГЭС.
Смешанная схема у которых напop частично создается с помощью плотины достаточно большой высоты и частично с помощью деривации.
Выбор типа схемы ГЭС определяется:
- расходом воды
- топографическими условиями
- геологическими условиями (поймы, долины, русла)
Плотинная схема более выгодна при малых уклонах и очень больших расходах. Расходы воды в них достигают 1400 м3/с (Волжкая ГЭС им. В.И. Ленина). Напоры на них колеблются в больших пределах от 1,5 -3,0 (ГЭС Диксон - США - 2,45 при мощности 2800 кВт и расходе 140 м/с). Максимальный напор достигнут на Нурекской ГЭС -280 метров .
При падении 6-8м на 1 км длины реки деривационные схемы более выгодны. Напоры на них от нескольких метров до 1767 м (ГЭС Райссек в Австрии). Расходы на них от неск. куб. метров до 1530 (на р. Роне во Франции). Максимальный напор в СССР – 600 м, максимальный расход на Нарвской ГЭС 700 м3/с.
Выбор схемы производится на основе технико-экономического сравнения вариантов. В целом это очень сложный вопрос.
Безнапорная деривация
Различают:
- саморегулирующиеся каналы
- несаморегулирующиеся
Саморегулирующийся канал имеет горизонтальные бермы для недопускания перелива через ник при повышении уровня в канале (режим подпора).
Несаморегулирующийся канал используется для удешевления строительства берм, но тогда обязательно холостой сброс (при уменьшении расхода через турбины) с автоматическими затворами или без.
Напорная деривация
Устраиваются уравнительные башни/шахты, резервуары (для смягчения гидравлического удара в напорных трубопроводах).
Теория удара. При закрытии затвора перед гидроагрегатом перед ним создается прямой гидравлический удар - положительная волна. Эта волна отражается от затвора и идет до свободной поверхности в верхний бьеф. От свободной поверхности она отражается и идет назад – отрицательная волна (обратный гидравлический удар) и разрушает затвор. Безопасность достигается, когда обратная волна возвращается при не совсем закрытом затворе - непрямой удар. Поэтому сокращают путь волны с помощью уравнительного резервуара или удлиняют время закрытия деривации с помощью холостого спуска (регулятора давления) в улитке.
Все это возникает из-за необходимости практически мгновенного закрытия затворов турбины при уменьшении нагрузки (разгон допустим несколько минут).
Уравнительные резервуары строят в виде простого вертикального цилиндра или цилиндра с гидравлическим сопротивлением (камерами и пр.). Уравнительные башни возводят из железобетона, стали или в виде шахт горными методами.
При сбросе нагрузки и возникновении гидравлического удара объем воды в башне увеличивается, и уровень соответственно повышается.
Гидравлический удар - это волнообразное движение, т.е. уровень волнообразно колеблется и может переливаться.
Задача гидравлического расчета уравнительной башни в определений дополнительного объема воды, входящего в башню.
Регулятор давления открывается, когда направляющий аппарат закрывается. Его закрытие производят после открытия направляющего аппарата.
На струйно-ковшовых турбинах имеется отклонители струй и время закрытия практически любое.
Модуль демпфирования ударов: а - при открытом гидрораспределителе б - при закрытом гидрораспределителе
Зачастую гидроудары возникают в момент разгрузки предохранительных клапанов, когда жидкость проходит через клапан практически свободно, без давления. Процесс разгрузки проходит очень быстро, т.е. давление в гидросистеме резко падает, что и вызывает гидравлический удар. Для борьбы с гидроударами на практике применяются различные методы: профилирование рабочей поверхности плунжера; применение ослабителей и модулей демпфирования ударов; использование регулируемого пилотного управления. Современные гидрораспределители в качестве опции могут комплектоваться специальными регуляторами времени переключения, позволяющими предотвращать возникновение гидравлических ударов.
Более плавный процесс переключения предохранительного клапана может обеспечить модуль демпфирования ударов. Модуль демпфирования ударов (6) располагается между пилотом (7) предохранительного клапана и электрогидрораспределителем (3), оборудованным демпфером (8) на линии В. Когда распределитель закрыт, золотник (9) под действием рабочего давления смещается вправо и сжимает пружину (10), перекрывая соединение В2-В1. Когда гидрораспределитель открыт, поток рабочей жидкости из линии В поступает в бак, на дросселирующем отверстии (8) при этом поддерживается постоянный перепад давлений. Усилие пружины создает некоторую задержку открытия соединения В2-В1, таким образом возникновение пиков давления в гидросистеме устраняется.
Наличие модуля демпфирования гидроударов в системе позволяет исключить возникновение акустических ударов, понизить пики давления и исключить зависимость от вязкости рабочей жидкости.
Следует различать гидравлические удары и пульсации давления. Причинами колебаний давления в гидросистеме могут быть неравномерная подача насоса; подключение и отключение различных насосов; работа отсечных и управляющих гидроаппаратов высокого быстродействия и др. Колебания давления и расхода разрушительно действуют на гидроаппаратуру, уменьшая срок службы элементов и приводя к их отказам. Поэтому важно еще на этапе проектирования гидросистемы определить возможную причину возникновения колебаний давления и предусмотреть меры по их компенсации. Зарекомендовавшим себя методам демпфирования колебаний давления является установка гидравлических амортизаторов.