Лекція 4. ГІДРАВЛІЧНІ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Загальні відомості

Гідравлічна електростанція (ГЕС) - комплекс споруд і устаткування, за допомогою яких енергія потоку води перетвориться в електричну енергію. ГЕС складається з послідовного кола гідротехнічних споруд, що забезпечують необхідну концентрацію потоку води і створення тиску, та енергетичного устаткування, що перетворює енергію рухомої під натиском води в механічну енергію обертання яка, у свою чергу, перетвориться в електричну енергію.

ГЕС у наш час виробляють, як було зазначено раніше, близько 20% електроенергії в світі, при цьому використовується тільки третина економічно ефективного гідроенергетичного потенціалу. Деякі країни з гірським рельєфом, швидкими ріками (Норвегія, Таджикистан, Киргизстан) в основному забезпечують свої потреби в електроенергії за рахунок ГЕС.

Найбільші ГЕС, що експлуатуються, мають встановлену потужність: «Три ущелини» (Китай) – 18,2 млн. кВт, Ітайпу (Бразилія – Парагвай) – 12,6 (14,0) млн.кВт, Guri (Венесуела) – 10,3 млн.кВт, Тукуру (Бразилія) – 7,2 млн.кВт, Гренд Кулі (США) – 6,5 млн.кВт, Саяно-Шушенська – 6,4 млн.кВт і Красноярська (Росія) – 6 млн.кВт, Черчилл-Фолс – 5,4 млн.кВт і Ла Гранд (Канада) – 5,3 млн.кВт.

Аналізуючи світовий досвід розвитку енергетики, слід зазначити, що практично всі найбільш розвинені країни в першу чергу інтенсивно освоювали свої гідроенергетичні ресурси та досягли високого рівня їх використання. Так, гідроенергетичні ресурси в США використані на 82%, в Японії – на 90%, в Італії, у Франції, у Швейцарії – на 95–98%. В Україні економічно ефективний гідроенергетичний потенціал використаний на 60%, а у Росії – на 20%.

Гідроенергетика України розпочалась зі спорудження найбільшої в Європі Дніпровської ГЕС - 560МВт (1927 р. - початок будівництва, 1932 р. - введена в експлуатацію). До складу споруди входили будівлі ГЕС з дев'ятьма агрегатами. На сьогоднішній день в Україні працює 12 потужних ГЕС, які входять до Об’єднаної енер­­госисте­­ми України, а також є ще близько 150 малих ГЕС на малих річках (Найбільші ГЕС в Україні - Київська, Канівська, Кременчуцька, Дніпродзержинська, Дніпрогес (Запоріжжя) і Каховська.).

Гідроелектричні станції залежно від потужності поділяють на:

- потужні - виробляють від 25МВт до 250МВт і вище;

- середні - до 25МВт;

- малі гідроелектростанції - до 5МВт (в деяких країнах (в тому числі і Україні) малими визнаються гідроелектростанції із потужністю до 10МВт. (примітка: встановлено Законом України "Про електроенергетику")). За прийнятою класифікацією до малих форм гідроенергетики належать піко (до 5кВт), мікро- (від 5 до 100кВт), міні- ( від 100 до 1000кВт) гідроелектростанції.

Потужність ГЕС безпосередньо залежить від тиску води, розходу води, а також від ККД використовуваного генератора (більше 90%). Через те, що за природними законами рівень води постійно змінюється, в залежності від сезону, а також ще від інших причин, в якості вираження потужності гідроелектричної станції прийнято брати циклічну потужність. Наприклад, розрізняють річний, місячний, тижневий або добовий цикли роботи гідроелектростанції.

Гідроелектростанції також діляться в залежності від максимального використання напору води:

- високонапірні - понад 60м;

- середньонапірні - від 25м;

- низьконапірні - від 3 до 25м.

За участю у покритті графіку навантаження енергосистеми: (пікові, напівпікові і базисні); за ступенем регулювання стоку річки (з виробленням тільки сезонної енергії, з внутрішньо - річним регулюванням, з багаторічним регулюванням); за схемою створення напору (руслові і дериваційні); за родом джерела енергії (річкові і приливні).

Класифікація гідроелектростанцій по капітальності регулюється ГОСТ і систематично вдосконалюється і змінюється в міру технічного прогресу в енергетичній галузі будівництва.

Різновиди ГЕС

На компонування ГЕС особливо сильний вплив мають місцеві природні умови (рельєф і геологічна будова заплави річки, зона затоплення) і прийнята система використання водотоку, яка визначає тип і склад гідротехнічних споруд. Вплив цих факторів настільки значний, що компонування кожної ГЕС являє собою оригінальне рішення.

Найбільше значення при компонуванні станційного вузла має взаємне розташування будівлі ГЕС, відкритих РУ високої напруг і корпусу допоміжних пристроїв зі щитом керування. РУ високих напруг намагаються розташувати таким чином, щоб відстань до машинного залу була найменшою. З цією метою відкриті РУ часто розташовують безпосередньо біля берега річки чи каналу з боку нижнього б’єфа. РУ генераторної напруги закритого типу у більшості випадків розташовують в будівлі ГЕС з боку нижнього б’єфа (руслові ГЕС) або з боку верхнього б’єфа (пригребельні ГЕС з напірними трубопроводами).

Допоміжні електротехнічні установки (акумуляторна батарея з підзарядним і зарядним пристроями, електролабораторія, вузол зв’язку) і щит керування займають, як правило, спеціальний (допоміжний) корпус. Його виконують у вигляді прибудови до машинного залу з боку розташування відкритого РУ.

ГЕС, будівля якої є частиною греблі, називається русловою (наприклад, Кременчуцька, Київська ГЕС). Руслові ГЕС — це зазвичай низьконапірні станції, де напір води створюється безпосередньо за рахунок побудованої греблі, яка повністю перегороджує річку і піднімає рівень води на потрібну величину. Будівля ГЕС входить до складу греблі і безпосередньо приймає напір води. Інколи це єдина споруда, що здатна пропускати воду, оскільки в греблі не передбачені інші спеціальні водоспускні отвори чи шлюзи. Такі гідрооб'єкти будують на повноводних рівнинних річках та гірських річках, у місцях, де є вузьке русло з високими берегами.

Будівля 1 руслової ГЕС (рис. 4.1) займає частину напірного фронту гідротехнічних споруд і нарівні з греблею 2 приймає тиск води верхнього б’єфа (ВБ). Трансформатори 3 блоків розташовують на майданчику з боку верхнього б’єфа або з боку нижнього б’єфа (НБ) (як показано на рис. 4.1). Розподільну установку генераторної напруги 4 розташовують в будинку ГЕС під трансформаторами 3. З’єднання генераторів з РУ генераторної напруги (або при одиничних блоках з трансформаторами) виконують залежно від потужності генератора відкритими шинними мостами (при Р_ном до 100МВт) або закритими екранованими струмопроводами (при Р_ном більше 100МВт). Розподільні установки високих напруг 5 (відкритого типу) розташовують на березі з боку нижнього б’єфа. Майданчик для їх спорудження вибирають згідно з рельєфом прибережної смуги. За несприятливих топографічних умов, коли важко знайти чи створити рівний майданчик необхідних розмірів застосовують ступінчасте розташування обладнання РУ .

Рисунок 4.1 – План (а) і поперечний переріз (б) ГЕС, розташованої на руслі.

Приєднання трансформаторів до РУ високої напруги здійснюють гнучкими проводами 6. Проводи підвішують за допомогою натяжних гірлянд ізоляторів 7 між стіною будівлі ГЕС (або опорами, встановленими на будівлі ГЕС) і опорами, встановленими на березі, де розташована РУ.

Якщо будівля розташована окремо, біля основи греблі на протилежному від водосховища боці, то така ГЕС називається пригреблевою (наприклад, ДніпроГЕС). Пригреблеві ГЕС — високонапірні станції, в яких будівля ГЕС розміщена за греблею, в її нижній частині. Вода до турбін станції подається через спеціальні напірні лотки чи тунелі, а не безпосередньо як в руслових. Висота греблі в даному випадку значно вища, ніж у руслових ГЕС, інколи це може бути і дві греблі. Обмежувальним чинником висоти греблі і водночас потужності таких ГЕС є площа затоплення і підтоплення навколишніх земель.

Пригребельна схема (рис. 4.2) характеризується тим, що напір (різниця відміток між рівнями верхнього і нижнього б’єфу на ГЕС створюється за рахунок підпору рівня ріки греблею з утворенням водойми, яка також використовується для регулювання стоку (добового, тижневого, сезонного, багаторічного) з метою забезпечення необхідного режиму роботи ГЕС. За рахунок регулювання стоку забезпечується збільшення встановленої (сума ном. потужностей всіх генераторів) та гарантованої (90-92% від встановленої потужності) потужності ГЕС, кількості виробленої електроенергії та економічної ефективності ГЕС. На більшості ГЕС, що знаходяться в експлуатації, у тому числі найпотужніших, використана гребельна схема. Така схема застосовується в рівнинних і гірських умовах. При цьому напори на ГЕС залежать від висоти гребель і досягають, наприклад, на Дністровській ГЕС потужністю 0,7 млн. кВт напір дорівнює 54м, а на Київській ГЕС потужністю 0,36 млн.кВт він знижується до 11м. Така схема використана для всіх ГЕС Дніпровського каскаду в Україні.

Рисунок 4.2 - Принципові схеми ГЕС: а – гребельна; б – дериваційна; в – комбінована.

1 – гребля; 2 – будинок ГЕС; 3 – дериваційний канал; 4 – напірний трубопровід;

5 – напірний тунель; 6 – зрівнювальний резервуар; 7 – відвідний тунель; 8 – водоприймач;

9 – природна поверхня берегового схилу.

На пригребельній ГЕС (рис. 4.3) будівлю 1 споруджують за глухою греблею 2, тому вона не приймає напору води. Вода подається до турбін по напірних трубопроводах 3. Між будівлею ГЕС і греблею над напірними трубопроводами утворюється так звана "пазуха" 4. Останню зручно використовувати для встановлення трансформаторів 5 блоків і розміщення РУ генераторної напруги 6. РУ можна також прибудувати до будівлі ГЕС (показано на рис. 4.3, б) пунктиром). Розподільні установки високої напруги 7, як і на русловій ГЕС, розташовують на березі і з’єднують з трансформаторами гнучкими проводами 8.

Рисунок 4.3 – План (а) і поперечний переріз (б) ГЕС, розташованої біля греблі

ГЕС, до якої вода подається трубами, називається дериваційною (Теребле-Ріцька ГЕС). При дериваційній схемі напір на ГЕС утворюється шляхом створення зосередженого перепаду за рахунок відводу води з річки штучним водоводом, в якості якого застосовуються відкриті канали (безнапірна деривація); напірні тунелі або трубопроводи (напірна деривація) (рис. 4.1). При дериваційній схемі для забору води на ГЕС у більшості випадків у річці зводиться гребля, яка утворює невелику водойму, що часто виконує добове регулювання. Дериваційну схему доцільно застосовувати в гірських умовах при більших схилах і порівняно невеликих витратах, що дозволяє при відносно невеликій довжині дериваційного водоводу одержати великий напір. На Теребля-Рикській ГЭС потужністю 27МВт із напором 215м, використовується дериваційну схему з напірною деривацією.

Компонування дериваційної ГЕС (рис. 4.4) має свої особливості. Крім станційного вузла 1 у створі Б, де розташовані основні споруди станції, є ще і головний вузол 2 у створі А. Головний і станційний вузли пов’язані між собою дериваційним каналом 3.

До складу споруджень станційного вузла входять напірний басейн 4 та басейн 5 добового регулювання, турбінні напірні трубопроводи 6, будівля ГЕС 7, аварійний водоскид 8, відвідний канал 9, а також будівлі допоміжних і ремонтних служб (на рисунку не показані).

Рисунок 4.4 – План дериваційної ГЕС

Трансформатори 10 встановлюють над турбінними трубопроводами на стіні будівлі ГЕС. Розподільну установку генераторної напруги 11 вбудовують або добудовують до фронтальної стіни будівлі ГЕС, а РУ високої напруги 12 розташовують в стороні від гідротехнічних споруд на рівній площині. З’єднання трансформаторів та РУ високої напруги здійснюється гнучкими підвісними проводами.

Головний вузол об’єднує споруди, які призначаються для створення опору у річці та відведення потоку в деривацію, очищення води від сміття. Сюди входять гребля 13, водоскидні пристрої 14, водоприймач 15, відстійник, промивні пристрої.

У випадку комбінованої схеми напір на ГЕС утворюється частково за рахунок опору рівня ріки греблею й створення водойми як на пригребельній схемі, та частково за рахунок деривації, що дозволяє при відповідних природних умовах використовувати переваги обох схем. При комбінованій схемі також можна одержати високі напори на ГЕС. Наприклад, на ГЕС Черчилл Фолс (Канада) потужністю 5,3 млн. кВт із водоймою об’ємом 32,6км³, утвореною греблею висотою 32м, напір становить 318м; на ГЕС Ялі (В'єтнам) потужністю 0,72 млн. кВт із водоймою, утвореною греблею висотою близько 60м, напір становить 190м.

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) з оборотними гідроагрегатами (що працюють як генератори струму або водяні помпи) в години малого споживання електроенергії перекачують воду з водосховища у верхній басейн, а в години пікових навантажень виробляють енергію як звичайні ГЕС (наприклад, Київська ГАЕС, Дністровська ГАЕС).

ГЕС з використанням енергії припливів називають припливними (наприклад, ГЕС у Франції на річці Ранс).

Принцип роботи

Принцип роботи ГЕС досить простий. Ланка гідротехнічних споруд забезпечує необхідний напір води, що надходить на лопасті гідротурбіни, яка приводить в дію генератори, що виробляють електроенергію.

Необхідний напір води утворюється за допомогою будівництва греблі, і як наслідок концентрації річки в певному місці, або деривації - природним потоком води.

Залежно від тиску води, в гідроелектростанціях застосовуються різні види турбін. Для високонапірних — ковшові і радіально-осьові турбіни з металевими спіральними камерами. На середньонапірних ГЕС встановлюються поворотнолопастні і радіально-осьові турбіни, на низьконапірних — поворотнолопастні турбіни в залізобетонних камерах. Принцип роботи всіх видів турбін подібний — вода, що подається під тиском (напір води), надходить на лопасті турбіни і вони починають обертатися. Механічна енергія, таким чином, передається на гідрогенератор, який і виробляє електроенергію. Турбіни розрізняються деякими технічними характеристиками, розраховані на різні тиски води, а також камерами — залізними або залізобетонними.

Кількість годин використання установленої потужності в році характеризує ступінь нерівномірності роботи протягом року й доби. При роботі ГЕС в основному у режимі покриття пікової зони графіку навантажень Т≤2000 год, а в напівпіковій зоні Т зростає до 4000 год.

Втрати напору на ГЕС орієнтовно можуть становити 1–5%, причому вони менші при гребельній схемі й безнапірній деривації та збільшуються при напірній деривації.

Коефіцієнт корисної дії гідросилового устаткування (гідроагрегата) орієнтовно може скласти 90–94% залежно від типу та характеристик турбіни й генератора. У цілому на ГЕС потенційна енергія водотоку перетворюється в електричну з високим к.к.д. на рівні 86–93%.

Режим експлуатації ГЕС в енергосистемах характеризується роботою з повною потужністю безупинно протягом доби зазвичай лише у період паводків, а в інші сезони року ГЕС працює у режимі покриття пікової частини графіку навантажень у середньому 3–5 год на добу, у режимі покриття напівпікової частини – 5–15 год на добу, а також використовується в якості аварійного й частотного резервів. За необхідності забезпечення постійних санітарно-екологічних та інших пусків частина агрегатів ГЕС працює безупинно.

Найбільш ефективне використання водних і гідроенергетичних ресурсів досягається при будівництві на річках каскадів ГЕС, що утворюють єдиний водогосподарський комплекс. Принцип утворення на річках каскадів ГЕС є основоположним у всіх країнах. Група ГЕС, розташованих за течією річки на деякій відстані одна від одної та пов'язаних між собою загальним водогосподарським режимом, утворює каскад. Головним завданням каскадів ГЕС є комплексне використання водних ресурсів. Створення каскадів ГЕС забезпечує більш повне регулювання стоку й використання гідроенергетичних ресурсів, дозволяє в максимальній мірі погодити інтереси гідроенергетики та інших учасників виробничо-господарського комплексу (ВГК), хоч ускладнюється їх взаємодія в умовах комплексного використання водосховищ каскаду. Однак, з іншого боку, полегшується подолання протиріч між ними, завдяки чому досягається збільшення потужності й виробітку ГЕС, можливість роботи ГЕС у піковій зоні відповідно до графіка навантажень у зв'язку з усуненням ряду обмежень по режиму допусків і рівнів у нижньому б'єфі та ін.

Дніпро є найбільшою річкою України та третьою за величиною річкою Європи. Дніпровський каскад гідроелектростанцій складається з шести ГЕС: Київської, Канівської, Кременчуцької, Дні­­про­­дзержинської, Дніпровської і Каховської. Разом із Київською гідроакумулюючою станцією (ГАЕС) та Дністровською ГЕС (потужність 702МВт) во­­ни входять до Об’єднаної енер­­госисте­­ми України. Площа водозбору до створу нижнього ступеня каскаду – Каховської ГЕС – становить 482 тис. км². Основні характеристики каскаду дано в таблиці 4.1. Дніпровський каскад (рис. 4.5) має велике значення для народного господарства України. Його водойми, і в першу чергу Кременчуцьке та Каховське, забезпечують сезонне регулювання стоку р. Дніпро. Корисний обсяг водойм становить 34% середньобагаторічного стоку Дніпра. ГЕС каскаду, сумарна потужність яких становить 3,67 млн. кВт, а вироблення електроенергії – близько 90% вироблення всіх ГЕС України, відіграють найважливішу роль в Об'єднаній енергосистемі України, покриваючи пікову частину графіка навантажень і забезпечуючи функції аварійного та навантажувального резерву.

Таблиця 4.1. Основні характеристики водойми і ГЕС Дніпровського каскаду

Рис. 4.5 - Дніпровський каскад ГЕС (поздовжній профіль)

Робота ГЕС в енергосистемах. Робота ГЕС в енергосистемі має певні особливості, викликані залежністю від річкового стоку та від режимів роботи водойми комплексного призначення, а також обмеженнями за умовами нижнього б'єфа та охорони навколишнього середовища. Водойми ГЕС залежно від корисної ємності можуть здійснювати добове, тижневе, сезонне та багаторічне регулювання. При цьому у несприятливий за водністю рік (зазвичай у якості розрахункового приймається маловодний рік з 90–95% забезпеченості) ГЕС повинні забезпечити розрахункову гарантовану енерговіддачу для покриття своєї зони графіка навантажень енергосистеми.

Водойма добового регулювання дозволяє перерозподілити природний добовий стік для забезпечення нерівномірного режиму роботи ГЕС із метою покриття пікової частини графіку навантажень.

В умовах зниження електричних навантажень в енергосистемі у вихідні дні при тижневому регулюванні зменшуються потужність і вироблення електроенергії ГЕС, а невикористаний стік акумулюється у водоймі й використовується у робочі дні тижня, забезпечуючи підвищення енерговіддачі ГЕС.

При сезонному і багаторічному регулюванні водойми в маловодний період ГЕС забезпечує покриття пікової частини добового графіку навантажень за рахунок природного припливу води у водойму протягом доби та спрацювання корисного обсягу, раніше накопиченого водоймою.

У паводковий період для максимального енергетичного використання води й зменшення її холостих скидань зазвичай всі агрегати ГЕС працюють із повною потужністю безупинно, виробляючи максимально можливу кількість електроенергії без ведення добового регулювання, покриваючи базову частину графіка навантажень енергосистеми. Це дозволяє одержати в цілому економію палива, хоч у даний період частина ТЕС змушені працювати у нерівномірному режимі, у тому числі у піковій частині графіка навантажень.

На ГЕС із водосховищем, що має значну корисну ємність, доцільно розміщувати аварійний резерв системи із тривалим часом роботи. На ГЕС також розміщуюють навантажувальний резерв системи для підтримки частоти в енергосистемах. Наприклад, в ОЕС України ГЕС Дніпровського каскаду, Дністровська ГЕС є аварійним резервом, однак комплексне використання їх водойм накладає певні обмеження на режими роботи ГЕС в якості резерву ОЕС. Тому їх використання в аварійних ситуаціях може заподіяти збитки іншим галузям, у першу чергу рибному господарству.

Більшість ГЕС також працюють у режимі синхронного компенсатора для вироблення реактивної потужності.

Робота об'єднаних енергосистем з більшою питомою вагою ГЕС залежить від регулювання стоку водойми, а також від регулювання енерговіддачі при спільній роботі в енергосистемі каскадів ГЕС внаслідок природної асинхронності стоку річок.

ГЕС є важливим системоутворюючим фактором. Створення великих каскадів ГЕС і високовольтних ліній електропередачі для видання їх потужності у багатьох випадках ставали основою утворення об'єднаних енергосистем.

Робота ГЕС характеризується високою надійністю, імовірність аварійних ситуацій на ГЕС значно нижча, ніж на ТЕС, в яких аварійні ситуації пов'язані з використанням у технологічному циклі надзвичайно високих температур і тисків, більшими запасами палива й ін.