Гидравлические электрические станции

Гидроэлектростанции являются одними из основных генерирующих установок, производящих электроэнергию. Они обладают целым рядом особенностей, которыми объясняется особое внимание, уделяемое им как в мировой, так и в нашей энергетике [1].

К основным особенностям следует отнести;

– использование возобновляемых источников энергии, что делает эти станции наиболее надежными и экономически эффективными;

– высокую маневренность оборудования, что позволяет использовать их с большой эффективностью при покрытии переменной части графика нагрузки;

– низкую себестоимость электроэнергии, производимой на гидроэнергетических установках, которая объясняется как низкими эксплуатационными издержками, что связано с высоким уровнем автоматизации процесса производства электроэнергии, так и низким расходом электроэнергии на собственные нужды.

Большинство гидроэлектростанций входят в состав двух систем – энергетической и водохозяйственной, каждая из которых обеспечивает развитие многих отраслей народного хозяйства.

Роль гидроэнергетики особенно повысилась в связи с созданием Единой энергетической системы (ЕЭС) России и введением рыночных отношений в процесс производства, передачи и распределения электроэнергии.

Создание Федерального (общероссийского) оптового рынка электрической энергии (мощности) (ФОРЭМ) существенным образом изменило место и роль гидроэлектростанций в энергетической системе и позволило наиболее полно реализовать их режимные преимущества.

На гидроэлектростанциях электрическая энергия получается в результате преобразований энергии водного потока. Каждая ГЭС состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, а также энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую. Такое преобразование осуществляется с помощью гидравлической турбины, основным элементом которой является рабочее колесо. Вода, попадая из водохранилища по напорному трубопроводу на лопасти рабочего колеса, вращает его, а вместе с ним и ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Гидроэлектростанции (ГЭС) преобразуют механическую энергию потока воды в электрическую.

Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение – створ, определяется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассейнов называется напором. Мощность потока в створе, кВт, можно определить, зная расход, м³/с, и напор, м :

Р = 9,81QH.

В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия h. Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P = 9,81QHh.

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 6.1), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис. 6.1, б). В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используют динамическое давление воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном эффекте.

В ковшовой активной турбине (рис. 6.2) потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке – сопле – полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти. Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию вращения колеса турбины.

а) б)

Рис. 6.1. Схема создания напора:

а - с помощью плотины; б - с помощью деривационного канала: 1 - канал; 2 - напорный бассейн; 3 - турбинные водоводы; 4 - здание ГРЭС; 5 - русло реки; 6 - плотина

Если скорость движения воды, вытекающей из турбины, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механическую энергию турбины.

Внутри сопла расположена регулирующая игла, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

Рис. 6.2. Схема работы активной турбины: 1 - верхний бьеф; 2 - трубопровод;

3 - сопло; 4 - рабочее колесо; 5 - кожух; 6 - отклонитель; 7 - лопасти (ковши); 8 - нижний бьеф

В реактивной гидравлической турбине на 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 колеса. 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 КПД резко уменьшается.

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 свойственна также диагональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

При напоре до 30 м здание станции, как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки. Такие ГЭС называются русловыми. Так как с ростом напора увеличивается объем строительных работ по сооружению зданий русловых гидроэлектростанций, при напорах, превышающих 25–30 м, здание станции помещается за плотиной. Такие ГЭС называются приплотинными. На них весь напор воспринимается плотиной.

В настоящее время на равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например на Красноярской ГЭС, построенной на Енисее, и на Асуанской ГЭС, построенной в Египте.

Регулирование мощности ГЭС производится следующим образом. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Накопление энергии в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что наносит огромный ущерб природе и здоровью людей. В первые годы после заполнения водохранилища в нём появляется много разложившейся растительности, делая воду непригодной для питьевых нужд. Постепенно происходит самоочищение воды в водохранилищах, но на это требуется не один десяток лет. Кроме загрязнения воды объективным показателем её качества является состояние обитающих в воде живых организмов. В водохранилище происходит массовое заражение рыбы, что ярко проявилось на Красноярском море. При прохождении воды через гидротурбины происходит разрушение планктона

И всё же, рассматривая воздействие ГЭС на окружающую среду, следует отметить жизнесберегающую функцию ГЭС. Так, выработка каждого миллиарда кВтч электроэнергии на ГЭС вместо ТЭС приводит к уменьшению смертности населения на 100–226 чел./год.

Небольшие реки малопригодны для регулирования мощности в системе, так как они не успевают заполнить водой водохранилище.

Существуют две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями – плотинная и деривационная.

В плотинной схеме предусмотрено сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки, в результате чего образуется разность уровней воды в верховой и низовой по течению сторонах плотины. Установки, в которых насосы и турбины размещаются в одном здании (рис. 6.3.), называются гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС).

Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) решают задачу снятия пиков и работают следующим образом. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы (рис. 6.3.а). В режиме непродолжительных «пиков» – максимальных значений нагрузки – ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

В Европейской части России возможно сооружение до 200 ГАЭС. В энергосистемах, расположенных в центральной, северо-западной и южной частях, где имеется наибольший дефицит маневренной мощности, естественные перепады рельефа позволяют сооружать станции с небольшим напором (80 – 110 м).

а б

в г

Рис. 6.3. Схема работы гидроаккумулирующей станции:

а - общий вид: 1 - верхний бассейн; 2 - водовод; 3-зданиеГАЭС; 4 - нижний бассейн;

б, в, г - компоновка агрегатов станции четырехмашинная, трехмашинная и двухмашинная соответственно

На первых ГАЭС для выработки электроэнергии использовали турбины Т и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн – электрические двигатели Д и насосы Н (рис. 6.3,б). Такие станции называли четырехмашинными – по числу устанавливаемых машин. В силу независимости работы генератора и насоса иногда четырехмашинная схема оказывается экономически наиболее выгодной. Совмещение функций генератора и двигателя привело к трехмашинной компоновке ГАЭС (рис. 6.3, в).

ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов (рис. 6.3, г). Число машин при этом сведено к двум. Однако станции с двухмашинной компоновкой имеют более низкое значение КПД из-за необходимости создавать в насосном режиме примерно в 1,3 – 1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме напор из-за трения в водоводах меньше. Для того чтобы агрегат одинаково эффективно работал как в генераторном, так и в насосном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения.

КПД агрегата можно повысить также, устанавливая в насосном режиме более крутой угол наклона лопастей турбины.

При реверсивной работе агрегатов возникает ряд технических и эксплуатационных трудностей, например, связанных с охлаждением. Предназначенные для охлаждения вентиляторы успешно работают только в одном направлении вращения.

Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым применительно к этим станциям понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Первые ГАЭС в начале XX в. имели КПД не выше 40 %, у современных ГАЭС КПД составляет 70 – 75 %. К преимуществам ГАЭС, кроме относительно высокого значения КПД, относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных ГЭС здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить высокие плотины с длинными туннелями и т. п.

Ориентировочно на 1 кВт установленной мощности на крупных речных ГЭС требуется 10 м³ бетона, а на крупных ГАЭС – всего лишь несколько десятых кубометров бетона.

Нижним бассейном (бьефом) такой ГАЭС могут служить водохранилища или реки, а в качестве верхнего бассейна (бьефа) используется существующее озеро, имеющее или не имеющее естественную приточность, или специально созданное на определенной высоте водохранилище.

На первых ГАЭС устанавливали две раздельные пары машин: гидротурбину с генератором и электродвигатель с насосом. Такие схемы по числу устанавливаемых машин называют четырехмашинными. Синхронная электрическая машина может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. На основе использования этого свойства создана трехмашинная схема, в которой отсутствует отдельный двигатель насоса.

Появление обратимых гидромашин, работающих как в насосном, так и турбинном режимах, позволило перейти к двухмашинной схеме ГЭС, имеющей агрегаты, на одном валу которых размещаются и обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины.

Процесс гидравлической аккумуляции энергии сводится к следующему. В ночное время, когда нагрузка энергосистемы сильно снижается, включаются электродвигатели насосов ГАЭС, накачивающие воду из нижнего бассейна в верхний.

В периоды пиков нагрузки энергосистемы запасенная в верхнем бассейне вода пропускается через турбины ГАЭС и находящиеся на одном валу с ними генераторы вырабатывают электроэнергию. Если при этом в верхний бассейн не поступает естественная приточность и один и тот же объем воды (без учета потерь на испарение и фильтрацию) перекачивается вверх и спускается вниз, то такие гидроаккумулирующие электростанции носят название ГАЭС чистого типа.

Если имеется постоянный естественный приток воды в верхний бассейн, то в этом случае образуется ГАЭС смешанного типа или, как ее еще называют, ГЭС-ГАЭС. В этом случае мощность ГАЭС можно получить несколько большего значения, чем при отсутствии приточности.

Достоинством ГАЭС в современных условиях работы энергетических систем является то, что она искусственно создает гидроэнергетические ресурсы, что важно для тех районов, где этих ресурсов недостаточно. Кроме того, ГАЭС играют существенную роль в режиме покрытия суточного графика нагрузки системы, создавая дополнительную нагрузку в часы ночного провала электропотребления и пиковую мощность в часы повышенного спроса на электроэнергию.

Коэффициент полезного действия ГАЭС определяется КПД насосного и турбинного режимов. Поэтому он будет меньше, чем КПД ГЭС, и обычно не превосходит 70–75 %. Это значит, что из каждых 100 кВт∙ч, забираемых ГАЭС из системы, обратно в нее возвращается 70 – 75 кВт∙ч. Однако этот недостаток компенсируется тем, что дневная энергия, когда ГАЭС работает в турбинном режиме, оценивается значительно выше ночной, когда часть ее по существу является избыточной.

Энергоэкономическая эффективность ГАЭС в значительной мере определяется используемым напором. Чем больше напор, тем для одной и той же установленной мощности можно обойтись меньшими объемами. Поэтому высоконапорные ГАЭС имеют лучшие технико-экономические показатели.

Кроме рассматриваемой выше ГАЭС суточного цикла аккумулирования могут быть ГАЭС и с более длительными циклами-недельными, сезонными. Однако для этого должны иметься необходимые гидрологические и топогеологические условия, что встречается довольно редко.

Чтобы использовать энергию текущей воды, необходимо сконцентрировать естественное падение реки с заданного ее участка в одном створе, что достигается путем сооружения плотин или деривации. В первом случае перед плотиной образуется искусственный водоем, называемый водохранилищем(рис. 6.4).

Рис. 6.4 Схема водохранилища

Однако создаваемое водохранилище, как правило, имеет не только энергетическое назначение, но и ряд других, однако почти каждое из них в том или другом объеме выполняет функции гидроэнергетики. Поэтому, говоря далее о водохранилищах, мы будем подразумевать, что они являются водохранилищами ГЭС. В случае, когда водохранилище имеет многоцелевой характер, говорят о его комплексном назначении, и запасенная в нем вода используется отдельными участниками комплекса и в их интересах в соответствии с требуемым количеством и режимом потребления.

Таким образом, основным и обязательным признаком водохранилища, отличающим его от естественного водоема (пруда, озера), является возможность регулирования (перераспределения) речного стока и его уровневого режима во времени в соответствии с требованиями заинтересованных отраслей хозяйства. Для этого в водохранилищах речной сток аккумулируется в периоды, когда естественная приточность воды превышает спрос на нее, и отдается в периоды, когда ее не хватает для удовлетворения разносторонних нужд.