Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроэлектростанции

– это высокоэффективные источники электроэнергии, онимогут быть сооружены там, где имеются гидроресурсы и условия для строительства, что часто не совпадает с расположением потребителей электроэнергии.

При сооружении ГЭС обычно преследуют решение комплекса задач, а именно:

– выработки электроэнергии,

– улучшения условий судоходства,

– орошения.

Единичная мощность гидроагрегатов достигает 640 МВт. Электрическую часть выполняют по блочным схемам генераторы – трансформаторы с выдачей мощности в сети повышенного напряжения. Гидроагрегаты высокоманевренные: набор нагрузки требует от 1 до 5 мин. Гидроэлектростанция может быть использована для работы в пиковой части суточного графика системы с частыми пусками и остановками агрегатов.

Коэффициент полезного действия ГЭСсоставляет 85...87%.

Гидроэлектрическая станция — это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия водотока преобразуется в электрическую энергию.

Она состоит из:

– гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание сосредоточенного напора,

– энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую энергию.

В зависимости от напора ГЭС подразделяют:

– высоконапорные (более 80 м),

– средненапорные (от 25 до 80 м)

– низконапорные (до 25 м).

Наиболее эффективное использование энергии водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. Поэтому для использования уровней рек, распределённых по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада, что может быть осуществлено различными способами:

– плотинами;

– деривационными каналами (дериватус – лат. – отведённый);

– комбинацией из плотин и деривации.

Плотинная схема необходима на равнинной реке. Плотинная схема предусматривает создание подпора уровня водотока путем сооружения плотины. Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

К основным сооружениям ГЭС на равнинной реке кроме плотины, является и здание ГЭС, в котором размещаются гидротурбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование. В случае необходимости строятся водосбросные и судоходные сооружения, рыбопропускные сооружения и т.п.

Бьеф – часть реки или канала, расположенная выше (верхний Б) или ниже (нижний Б) гидротехнического сооружения (плотина, шлюз).

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

Рисунок – ГЭС плотинного типа

Деривационная схемапозволяет получитьсосредоточенный перепад воды путём отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому, в конце водовода уровень воды оказывается выше уровня воды в реке – эта разница и будет служить напором ГЭС. 

Водоотводом может быть открытый канал или туннель.

Прошедшая через турбины вода отводится обратно в русло реки по отводящему каналу.

Сооружение деривационных ГЭС наиболее целесообразно в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малых расходах воды. При небольшой протяженности и малой площади сечения деривационного канала можно получить большой напор (1000 м и более), а значит и мощность.

Гидроэлектростанции как источник электрической энергии имеют существенные преимущества перед тепловыми и атомными электростанциями. Они лучше приспособлены для автоматизации и требуют меньшего количества эксплуатационного персонала. Показательны следующие средние значения удельной численности персонала станций различного вида на 1 млн кВт установленной мощности: для ГЭС — 300, дляТЭС — 1400, для АЭС — 1800 чел. Но это только на самой станции, а еще нужно добавить трудозатраты на добычу и транспортирование топлива, в итоге требуемая удельная численность персонала на 1 млн кВт для ТЭС (АЭС) в среднем составляет 2500 чел.

Рисунок - Схема с подземным деривационным каналом

Гидроэлектростанции существенно влияют на:

– водный режим рек,

– рыбное хозяйство,

– микроклимат в районе водохранилищ,

– на лесное и сельское хозяйства,

поскольку создание водохранилищ связано с затоплением значительных полезных для народного хозяйства площадей.

Гидротурбины.

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и генераторы.

Гидравлической турбинойназывается машина, преобразующаяэнергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса.  

Гидротурбины подразделяются на два класса: активные и реактивные. Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые.

В ковшовой активной турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке — сопле (3) — полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины (4), выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти (6).

1 – бассейн верхнего уровня; 2 – турбинный трубопровод; 3 – сопло; 4 – рабочее   колесо; 5 – кожух; 6 – лопасти (ковши); 7 – регулировочная игла;

Рисунок – Схема работы активной ковшовой гидротурбины

Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы,  действующие на поверхности лопастей. Внутри сопла расположена регулировочная игла (7), перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

Таким образом, энергия движения воды преобразуется в энергию вращения колеса турбины.

В реактивной гидравлической турбинена лопастях рабочего колеса преобразуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механическую энергию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо турбины, обладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию рабочего колеса турбины.

За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия центробежных сил превращается в механическую энергию турбины.

Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колес.

 У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины используют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. В настоящее время созданы уникальные радиально-осевые турбины мощностью 700 МВт.

Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки, КПДрезко уменьшается. Т.е. нет возможности регулировать напор воды.

У поворотно-лопастных гидротурбин, в отличие от пропеллерных, лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы - для поддержания высокого значения КПД.

Двухперовые турбины имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Широкое применение их ограничено конструктивными сложностями. Сложная конструкция свойственная также диагональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Рабочее колесо гидротурбины	Схема рабочего колеса
Радиально - осевое
Пропеллерное
Поворотно- лопастное
Двухперовое
Диагональное

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской и других ГЭС.Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская и другие ГЭС.

Возможно создание на реках каскадов ГЭС. В России построены и успешно эксплуатируются Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС. Мощность ГЭС России: каскад Волжских ГЭС – 2530 МВт; Братская ГЭС – 4500 МВт; Красноярская ГЭС – 6000 МВт; Саяно-Шушеская – 6400 МВт и др.

Гидроаккумулирующие электростанции

Если потребление эл.эн во времени не постоянноили мощности ГЭС недостаточно для покрытия нагрузки в часы пик, то можно использовать гидроаккумулирующие ГЭС – ГАЭС.

Такие станции во время пониженных нагрузок работают как насосные станции, т.е. за счет потребляемой энергии перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний и создают повышение уровня верхнего бьефа.

В часы максимальной нагрузки ГЭС работают как обычные ЭС, пропуская воду из верхнего бассейна в нижний через турбину. В процессе работы ЭС потребляет дешевую эл.эн., а выдаёт дорогую в период пика нагрузки.

Рисунок – Схема работы гидроаккумулирующей ГАЭС

В настоящее время в России работает ЗагорскаяГАЭСмощностью 1200 МВт,ведется проектирование других ГАЭС.

Агрегаты высокоманевренные и могут быть быстро переведены из насосного режима в генераторный. Коэффициент полезного действия ГАЭСсоставляет 70... 75 %. Их сооружают там, где имеются источники водоснабжения и местные геологические условия позволяют создать напорное водохранилище.

Вопросы к теме

«Технология производства электрической энергии на гидро- гидроаккумулирующих электростанциях»

1. Отчего зависит выбор типа электростанции?

2. Места расположения гидро- и гидроаккумулирующей электростанций.

3. Перечислить основное оборудование гидро- и гидроаккумулирующей электростанций.

4. Принцип получения эл. энергии на гидро- и гидроаккумулирующей электростанции.

5. Что значит маневренность и какая она бывает?

6. Влияние гидро- и гидроаккумулирующей электростанций на атмосферу, гидросферу, литосферу.

7. Что обозначает слово «бьеф», сколько их бывает?

8. Отчего зависит выбор схемы гидроэлектростанции?

9. Чем отличается плотинная схема от деривационной?

10.Дополнительное преимущество гидроэлектростанции.

10. Типы гидротурбин, отличия в их конструкции.