ГЭС, использующие водоток рек

Общие сведения

Гидроэлектрические станции (ГЭС) занимают значительное место в
обеспечении потребителей электрической энергией. В общем объеме
выработки электроэнергии в России их доля составляет около 20 %, которая
несколько колеблется в зависимости от водности года. Кроме общей
выработки электроэнергии ГЭС играют большую роль как регуляторы
перетоков мощности по линиям электропередачи, как источники резервной
мощности, и, наконец, они играют главную роль в регулировании частоты,
которая должна поддерживаться в пределах 50 ± 0.05 Герца.

Напор воды вращает рабочее колесо турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором электрического генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. В турбине гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую.

ГЭС как источник электрической энергии имеют существенные преимущества перед тепловыми и атомными электростанциями. Они лучше приспособлены для автоматизации и требуют меньшего количества эксплуатационного персонала.

Совокупность водоподпорных сооружений, воспринимающих напор, образуют напорный фронт. Различают несколько видов ГЭС. Собственно ГЭС, использующиеводоток рек, который образует водяной напор. Гидроаккумулирующие(ГАЭС), накапливающие воду при провале нагрузок и использующиенакопленную воду при максимуме нагрузок. Приливные ГЭС, использующиеводяной напор, образующийся при приливах и отливах

ГЭС, использующие водоток рек

Различают три основные схемы создания напора воды:плотинная,деривационная и плотинно-деривационная.

Плотинная схема создания напора водыобычно выполняется при больших расходах воды и малых уклонах ее свободной поверхности. Напор создается плотиной

Плотинная схема в зависимости от напора может быть русловой и приплотинной (рис.6.1).

Рис.6.1.Плотинная схемасоздания напора воды: 1-плотина; 2-здание ГЭС; 3 – электрогенератор; 4- гидравлическая турбина

Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины - нижним бьефом. Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет статический напор

(6.1)

Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, используемая по мере необходимости для выработки электроэнергии.

Для практических расчетов напор, используемый турбинами ГЭС, определяется по формуле

,                                       (6.2)

где - гидравлические потери в подводящих и отводящих водоводах.

Потери напора обычно составляют 2-5%

По напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 80м), средненапорные (от 25 до 80 м) и низконапорные (до 25 м).

Русловой называется такая гидроэлектростанция, сооружения которой располагаются в основном в пределах речного русла и лишь частично выходят на берега. Напор создаётся плотиной, водосбросными сооружениями и зданием ГЭС, образующими напорный фронт.Одна из стен здания станции воспринимает статичный напор воды. Русловые ГЭС сооружают обычно при напорах не более 30 м. Внешний вид русловой ГЭС приведен на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Волжская русловая ГЭС (вид со стороны нижнего бьефа)

Приплотинной называется такая гидроэлектростанция,когда здание ГЭС располагается за плотиной и не воспринимает полное давление воды.При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем в 6 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорных сооружений. Вода к турбинам приплотинной ГЭС подводится водоводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, под грунтовой плотиной или туннелями в обход плотины. Внешний вид приплотинной ГЭС приведен на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Саяно-Шушенскуаяприплотинная ГЭС

Деривационная схема создания напора водыобычно выполняется при малых расходах воды и больших уклонах ее свободной поверхности. В деривационной схеме плотина возводится невысокой, лишь обеспечивающей забор воды в деривацию, а напор создается за счет разности уклонов воды в реке на участке  и деривации (рис.6.4).

Рис.6.4. Деривационная схема создания напора воды (безнапорная)

Деривация может выполняться безнапорной в виде открытого канала или безнапорного туннеля. Чаще деривация бывает напорной в виде напорного туннеля или напорного трубопровода.

Внешний вид деривационнойГЭС приведен на рис. 6.5.

Рис. 6.5. БаксанскаядеривационнаяГЭС

В плотинно-деривационной схеме используются наилучшим образом свойства предыдущих схем. Плотина создает водохранилище, а падение уровня реки ниже плотины используется деривацией. Чем выше по течению реки располагается плотина, тем меньше ее высота, меньше объем водохранилища и затопление территории, но удлиняется деривация и увеличиваются потери в ней напора.

Для более полного использования падения реки и ее стока возводят каскад гидроэлектростанций, т.е. ряд ГЭС, последовательно расположенных по длине водотока от истока до устья. В составе каскада могут быть русловые, приплотинные или деривационные ГЭС

Зная величину напора и расход воды через турбину можно определитьмощность, которую турбина развивает на валу и передает генератору:

                                         (6.3)

где  - ускорение силы тяжести;  - расход воды через турбину; - плотность воды;  - напор;  - КПД турбины.

Пример: ; ; ;

Водоток. Три четверти нашей планеты покрывает вода. Значительное количество воды испаряется и выпадает в виде осадков на поверхность Земли. Спускаясь с возвышенных участков на более низкие в виде больших и малых водотоков, эти постоянно возобновляемые природой массы воды теряют энергию, которая может быть эффективно использована.

Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосбросным бассейном данной реки. Линия, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией.

К водосбросному бассейну моря относятся водосбросные бассейны всех рек, впадающих в данное море.

Количество воды, протекающее через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м³/с).

Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от начального момента времени t ₁до некоторого конечного t ₂, называется стоком W.

Величина стока реки за промежуток времени t ₂ - t ₁

                                     ,                                  (6.4.)

Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³                     

Данные о речном стоке отдельных стран мира приведены в табл.6.1.

 

Таблица 6.1

Данные о речном стоке отдельных стран мира

Страна	Площадь территории, млн. км	Суммарный средний объем стока, км3/год
Бразилия	8,51	5300
Россия	17,075	4000
США	9,36	2850
Китай	9,90	2600
Канада	9,98	1500
Норвегия	0,32	368
Франция	0,551	343

 

6.3. Гидроаккумулирующие ГЭС

Принцип действия гидроаккумулирующих ГЭС (ГАЭС) показан

на рис. 6.3.

Рис.6.3. Принцип действия гидроаккумулирующих ГЭС

Суть режимаработы ГАЭС заключается в следующем.

Известно, что крупныетепловые и атомные электростанциидолжны работать в так называемомбазовом режиме, т.е. с постояннойнагрузкой достаточно длительноевремя. В этом случае они имеютмаксимальную эффективность. С другой стороны потребляемаянагрузка изменяется в течение суток инедели.

Для урегулирования этогопротиворечия необходимы мобильные регуляторы нагрузки, одним извариантов которых являются ГАЭС. В период спада нагрузки вэнергосистеме ГАЭС работает в насосном режиме и перекачивает воду изнижнего бассейна в верхний. При этом она потребляет избытокэлектрической мощности, тем самым позволяя КЭС и АЭС работать спостоянной нагрузкой. В периоды максимальных нагрузок ГАЭС переходитв генераторный режим, срабатывая накопленную воду верхнего бассейна.Выдаваемая в этом режиме в сеть электрическая мощность обеспечиваетпостоянство нагрузки КЭС и АЭС, срезая, как говорят, пики нагрузок.

Режимы работы ГАЭС вносят существенные поправки в конструкциютурбинного и генераторного оборудования.Турбины должны работать в реверсивном режиме – чисто турбинном инасосном. При использовании поворотно-лопастных турбин это возможноосуществить соответствующим разворотом лопастей. Внешний вид ГАЭС приведен на рис. 6.6.

 

Рис. 6.6. Загорская ГАЭС

Гидроаккумулирующие электростанции разделяют на ГАЭС чистого аккумулирования и ГАЭС смешанного типа.

Смешанного типа ГАЭС делятся на:

- ГЭС – ГАЭС (сочетание речной и гидроаккумулирующей электростанций);

- НС – ГАЭС (сочетание насосной и гидроаккумулирующей станций).

На ГАЭС чистого аккумулирования (рис.6.7), верхний бассейн не имеет притока воды. РаботаГАЭС в турбинном режиме происходит при стоке воды из верхнего бассейна в нижний. Процесс аккумулирования происходит, путем перекачиваемомводы из нижнего бассейна в верхний. В целом работа выполняется на одном и том же объеме воды.Лишь небольшие потери воды происходят в результате испарения и инфильтрации.

 

Рис. 6.7. ГАЭС чистого аккумулирования: а – с искусственным верхним и нижним бассейнами и наземным расположением сооружений; б – то же с подземным расположением сооружений; в – с использованием существующего водоема в качестве нижнего бассейна; 1 – верхний бассейн; 2 –нижний бассейн ГАЭС.

Когда в верхний бассейн имеется приток воды ГАЭС может работать в турбинном режиме не только за счет насосной подкачки, но и на естественном стоке.Такие установки представляют собой соединение обычной ГЭС и ГАЭС и называются ГАЭС смешанного типа, или ГЭС – ГАЭС.

Приливные ГЭС

Приливная электростанция (ПЭС), электростанция, преобразующая энергию морских приливов в электрическую. ПЭС использует перепад уровней "полной" и "малой" воды во время прилива и отлива (6.8).

Рис. 6.8. Устройство приливной электростанции

Перекрыв плотиной залив или устье впадающей с море (океан) реки (образовав водоём, называют бассейном ПЭС), можно при достаточно высокой амплитуде прилива (>4 м) создатьнапор, достаточный для вращения гидротурбин и соединённых с ними гидрогенераторов, размещенных в теле плотины.

На ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким кпд в генераторном (прямом и обратном) и насосном (прямом и обратном) режимах, а также в качестве водопропускного отверстия. В часы, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с "малой" или "полной" водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме - подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива (или откачивают ниже уровня отлива) и т. о. аккумулируют энергию до того момента, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки. В случае, если прилив или отлив совпадает по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме.

Внешний вид приливной ГЭС приведен на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Приливная ГЭС в Южной Корее

Использование приливной энергии ограничено главным образом высокой стоимостью сооружения ПЭС.Кроме тогосуществует ограниченное число мест, где можно их строить. Их преимущество в том, что приливы более предсказуемы, чем поведение, например, ветра или солнца.

В будущем планируется развивать приливные электростанции, работающие с приливными течениями, похожими по принципу на ветряные электростанции.