Основные схемы использования водной энергии

Чтобы превратить энергию текущей воды в электрическую, необходимо, как это следует из (4.12), иметь определенные значения расхода и напора. В естественных условиях концентрированные в определенном месте напоры и гарантированные расходы встречаются крайне редко. Обычно равнинные реки имеют уклоны свободной поверхности i 0,05…0,1‰ (0,05…0,1 м падения высоты на 1 км длины реки), горные – 5…10‰. Поэтому необходимые для турбины ГЭС напоры создают искусственно.

В зависимости от местных топографических и инженерно-гидрогеологических условий, величины напоров, расходов и к.п.д. ГЭС применяют различные схемы гидроузлов и конструкций ГЭС.

По способу создания напора малые ГЭС подразделяются на плотинные, деривационные, смешанные (плотинно-деривационные) и малые ГЭС при готовом напорном фронте (на перепадах каналов, в системах водоснабжения и др.).

В состав ГЭС в зависимости от её типа входят головной узел, деривация (в деривационных и смешанных ГЭС) и силовой узел.

Головной узел представляет собой глухую или водосливную плотину, при помощи которой можно поднять уровень воды в верхнем бьефе до расчетной высоты с целью подачи воды в напорный бассейн ГЭС или в деривацию. Головной узел включает также водоприемник, водосброс и водовыпуск.

Деривация представляет собой группу водопроводящих напорных или безнапорных сооружений (каналы, штольни, трубопроводы и т.д.), при помощи которых вода из реки (водохранилища) подается в напорный бассейн ГЭС.

Силовой узел состоит из напорного трубопровода, берущего начало от напорного бассейна и соединенного с турбинами, здания станции и отводящего канала. В здании ГЭС установлены турбины с генераторами и вспомогательное оборудование.

Плотинные схемы. Это наиболее распространенные схемы энергетического использования равнинных малых рек со сравнительно малыми уклонами. Напор на гидроустановке создается сооружением плотины, перегораживающей реку и подпирающей в ней воду (рис.4.2). Водное пространство перед плотиной носит название верхнего бьефа (ВБ), водное пространство ниже плотины называется нижним бьефом (НБ). Плотинная схема энергетического использования может осуществляться в зависимости от типа речной долины равнинной реки и напора в двух вариантах: без выхода подпорного уровня на пойму и с выходом на неё (рис. 4.3).

Первая схема (рис.4.3, а) рекомендуется для рек с широкой поймой и глубоко врезанным руслом. В этом случае отметка нормального подпорного уровня назначается так, чтобы при возведении плотины вода не выходила из основного русла реки. Для такой схемы характерны русловая компоновка здания ГЭС с небольшими напорами (от 1,5 до 4,5 м) и небольшая мощность станции (от нескольких сотен до одного-двух тысяч киловатт).

На равнинных реках с относительно неширокой глубоко врезанной поймой и слаборазвитым руслом целесообразно создавать ГЭС с водохранилищем сезонного регулирования с затоплением поймы (рис.4.3,б).

Рис. 4.2. Схема создания напора плотиной

Рис. 4.3. Плотинные схемы малых ГЭС:

а - без выхода отметок нормального подпорного уровня (НПУ) на пойму; б - с затоплением поймы; 1 - здание ГЭС; 2 - водосбросная плотина; 3 - глухая плотина

Деривационные и смешанные схемы. Такие схемы широко применяются в практике строительства малых ГЭС главным образом в горных и предгорных районах. Вода из реки отводится специальным каналом с малым уклоном, значительно меньшим, чем уклон реки. Благодаря этому вода в конце канала оказывается на более высокой отметке, чем в естественном русле, в результате чего полученный сосредоточенный напор воды может быть использован на турбинах гидростанции.

Схемы деривационных станций могут быть следующими:

§ деривация вдоль реки. Такие схемы применяют на реках со значительными уклонами и скоростями течения (рис.4.4, а);

§ деривация на спрямлении русла реки (рис.4.4, б) Спрямляя деривацией отдельные излучины реки, можно получить значительные напоры ГЭС даже на реках с небольшим уклоном;

§ переброска стока из одной реки в другую (рис.4.4, в). Такие схемы применяют, когда две соседние реки разделены невысоким и коротким водоразделом и имеют разное высотное положение. Это позволяет на короткой деривации, соединяющей обе реки, получить значительный напор. Так построена Сторожевская МГЭС в Ставропольском крае мощностью 880 кВт на канале, соединяющем реки Кяфар и Бижгон. При длине деривации около 3 км напор ГЭС составляет 31 м.

Рис. 4.4. Схемы деривационных малых ГЭС: а - с деривацией вдоль реки; б - на спрямлении русла реки; в - переброска стока из одной реки в другую; 1 - головной узел; 2 - деривация; 3 - напорный бассейн;
4 - напорный трубопровод; 5- здание ГЭС; 6 - холостой сброс

Схемы малых ГЭС при готовом напорном фронте.В качестве створов с готовым напорным фронтом могут использоваться водохранилища неэнергетического назначения, перепады каналов, трубопроводы систем водоснабжения (коммунально-бытового, промышленного, сельскохозяйственного). По способу создания напора такие малые ГЭС можно отнести либо к плотинным, либо к деривационным.

В состав сооружений большинства неэнергетических водохранилищ входят плотина из грунтовых материалов, паводковый водосброс и водовыпуск для пропуска в нижний бьеф расходов в заданном режиме. Часто водосброс и водовыпуск совмещены в одном сооружении. В гидроузлах на скальном основании водовыпуск устраивается в виде тоннелей в береговых склонах на участке примыкания плотин.

Водовыпуски гидроузлов на нескальном основании устраиваются трубчатыми в теле грунтовых плотин. При таких компоновках гидроузла пристройку ГЭС целесообразно осуществлять путем подключения к концевой части водовыпуска отдельных ниток подводящих турбинных водоводов.

При существующих и строящихся гидроузлах такое решение позволит построить малую ГЭС без коренной реконструкции водовыпуска и перерыва нормального режима эксплуатации водохранилища.

МГЭС на перепадах каналов целесообразно строить по типу деривационных. На канале перед входом в быстроток (или перепад) происходит переключение расходов из канала в параллельное русло с подводом воды к напорному бассейну и турбинным водоводам. На строящихся каналах целесообразно строительство МГЭС вместо перепадного сооружения.

Таким образом, многообразие возможных схем сооружения МГЭС значительно. Выбор оптимальной схемы требует соответствующего технического и экономического обоснования.