Энергомеханическое оборудование ГЭС

Основные сооружения ГЭС на равнинной реке (рис.6.4): плотина, создающая перепад уровней, т.е. напор; здание ГЭС в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование.

В случае необходимости также строятся водосборные и судоходные сооружения, водозаборы для системы орошения и водоснабжения, рыбопромысловые сооружения и др.

Рисунок 6.4. Разрез по станционной плотине и зданию ГЭС

Гидравлическая турбина - это гидравлическое устройство с проточной частью, которая включает подводящие органы (турбинную камеру, колонны статора, лопатки направляющего аппарата), рабочие органы (лопастную систему рабочего колеса) и отводящие органы (отсасывающую трубу).

Необходимо отметить, что водяные турбины на ГЭС значительно отличаются по конструкции от быстроходных паровых турбин ТЭС.

Напоры воды на ГЭС могут быть от нескольких метров до 1500-2000 м. Для эффективной работы ГЭС в таком широком диапазоне применяются различные системы турбин, отличающиеся формой рабочих органов и принципом воздействия воды. Турбины делятся на два класса: активные и реактивные.

Турбина называется активной, если для её работы используется динамическое давление воды, и реактивной, если используется динамическое и статическое давление.

Наиболее распространёнными активными турбинами являются ковшовые (рис.6.5, а)

К реактивным гидротурбинам относятся: пропеллерные (рис.5.5, б), поворотно-лопастные (рис.6.5, в), диагональные (рис.6.5, г) и радиально-осевые (рис.6.5, д).

Рисунок 6.5. Общий вид рабочих колёс гидротурбин

В высоконапорной турбине в конце напорного трубопровода устанавливается суживающая насадка, в которой потенциальная энергия гидростатического давления полностью преобразуется в кинетическую энергию движения воды. Давление на выходе насадки равно атмосферному. Чтобы вода поступала на лопатки турбины без удара и изменяла своё направление 180^о, лопаткам придают форму сдвоенного ковша.

При относительно малых напорах предпочтительно использовать реактивные турбины. Вода на рабочие лопатки реактивных турбин поступает через направляющий аппарат, регулирующий расход воды и придающий потоку воды необходимое направление. В суживающихся просветах между лопатками направляющего аппарата происходит частичное преобразование потенциальной энергии в кинетическую. Дальнейшее преобразование энергии производится на рабочих лопатках, где проходное сечение воды постепенно уменьшается.

В современной гидроэнергетике используются в основном три типа турбин:

1.Поворотно-лопастная (ПЛ) турбина (разработана в 1913 году чешским инженером Капланом). Рабочее колесо выполнено в форме винта пропеллера, лопасти которого в зависимости от нагрузки могут поворачиваться для достижения наибольшего КПД. Расход воды регулируется направляющим аппаратом. С его помощью производится пуск и остановка турбины, регулировка мощности и числа оборотов. ПЛ турбины установлены на Куйбышевской, Волжской и др. ГЭС с напорами до 30 м.

2.Радиально-осевая (РО) турбина (турбина Френенса фирмы «Сименс и Гальске»). Рабочее колесо РО турбины имеет неподвижные лопасти, охваченные снизу ободом. Лопасти имеют сложную форму, благодаря чему вода, поступающая на лопасти направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. РО турбина изготавливается на мощности гидрогенератора свыше 100 МВт. Такие турбины установлены на Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской и др. ГЭС с напорами до 500 м.

3.Поворотно-лопастные для капсульных агрегатов (ПЛК), используемых при весьма малых напорах (установлены на Киевской и др. ГЭС).

Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется по количеству воды, поступающей на лопатки турбины, и давлению этой воды:

,

где - мощность, кг м /с; =1000 кг/м³ - удельный вес воды; - расход воды, м³/ с; - напор, м,

или в киловаттах

.

Однако не вся мощность, развиваемая турбиной, превращается в электрическую, поскольку при преобразовании имеют место потери, которые можно учесть, введя суммарный КПД ГЭС , учитывающий потери в водоприёмнике, водоводах, в турбине и генераторе ( =0,87), тогда полезная электрическая мощность определится формулой

.

Приведенные выражения для мощности показывают, что одну и ту же мощность можно получить либо за счёт большого расхода ( ) при небольшом напоре ( ), что характерно для равнинных рек, либо за счёт высокого напора при сравнительно малом расходе - на горных реках.

Электрическая часть ГЭС состоит из электрических машин (генераторов), соединённых с гидротурбинами, трансформаторов и распределительных устройств.

На ГЭС используются генераторы с горизонтальным и вертикальным расположением. Генераторы с вертикальным расположением выполняются: подвесного типа (рис.5.6,а), зонтичного типа с опорой на нижнюю крестовину (рис.5.6,б), зонтичного типа с опорой на крышку турбины (рис.5.6,в).

Рисунок 6.6. Схемы вертикальных синхронных генераторов ГЭС