Схема создания напора на ГЭС

Наиболее эффектив­ное использование энергии водотока возможно при концентра­ции перепадов уровней воды на относительно коротком участке. Для использования падения уровней рек, распределенных по зна­чительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредо­точению перепада, что может быть осуществлено различным способами.

Различают три основные схемы:

– плотинная, при которой напор создается плотиной;

– деривационная, где напор создается преимущественно с помо­щью деривации (отведения, отклонения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;

– комбинированная, в которой напор создается плотиной и дери­вацией.

Плотинная схема (рисунок 7.1, в) предусматривает создание на­пора уровня водотока путем сооружения плотины. Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регу­лирующей емкости, позволяющей периодически накапливать за­пасы воды и более полно использовать энергию водотока.

В гидроузлах, осуществленных по плотинной схеме создания напора, различают русловые и приплотинные здания станций.

Гидроэлектростанция с русловым зданием характеризуется тем, что ее здание входит в состав водоподпорных сооружений и вос­принимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Конструк­ция здания в этом случае должна удовлетворять всем требования устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. Размеры здания, в частности его высота, определяются напором, поэтому ГЭС с русловыми зданиями строятся при сравнительно небольших напорах – до 40 м (каскад Волжских ГЭС).

Гидроэлектростанция с приплотинным зданием характеризуется тем, что ее здание располагается за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных современных гидроэлект­ростанциях такого типа напор доходит до 300 м (Красноярская ГЭС).

Деривационная схема (рисунок 7.1, г) позволяет получить сосредо­точенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный ук­лон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказываете, выше уровня воды в реке; эта разность уровней и является напо­ром гидроэлектростанции.

Сооружение деривационных ГЭС оказывается целесообразно в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малы расходах воды; тогда при небольшой протяженности и малой пло­щади сечения деривационного водовода можно получить большой напор (1000 м и более) и соответственно большую мощность.

Комбинированная схема (рисунок 7.1, б) предусматривает создание напора посредством использования напора как плотины, так и дери­вационных сооружений.

На всех гидроэлектростанциях, осуществленных по любой из указанных выше схем, механическая энергия движущихся масс воды преобразуется в электрическую с помощью гидротурбин и гидрогенераторов, размещенных вместе с многочисленным вспо­могательным оборудованием в зданиях станции.

Гидротурбины. Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и генераторы.

Гидравлической турбинойназывается машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины подразделяются на два класса: ак­тивные и реактивные. Турбина называется активной, если исполь­зуется только кинетическая энергия потока, и реактивной, если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте.

Рисунок 7.1 – Принципиальная схема создания напора: а – на ГАЭС; б – на ПЭС; в – на деривационной ГЭС; г – на платинной ГЭС; д – на комбинированной ГЭС; 1-1, 2-2 – сечения соответственно верхнего и нижнего бьефов.

 

Наиболее распространенными активными гидротурбинами яв­ляются ковшовые. В ковшовой активной турбине 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 6 (рисунок 7.2, а, б). 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.

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. Различные конструкции рабочих колес реактивных турбин показаны на рис. 7.2, в–ж.

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

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Крас­ноярской и других ГЭС. Поворотно-лопастными турбинами обо­рудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчуг­ская и другие ГЭС.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произволь­но. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и часто­ты переменного тока, которая должна соответствовать стандарт­ной. Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших час­тотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими, чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах – с большими значениями этого коэффициента.

 

Рисунок 7.2 – Схема работы ковшовой турбины (а) и виды рабочих колес радиально-осевой (б), пропеллерной (в), поворотно-лопастной (г), двухперовой (д) и диагональной (е) реактивных гидротурбин: 1 – бассейн верхнего уровня (бьефа); 2 – турбинный трубопровод; 3 – сопло: 4 – рабочее колесо; 5 – кожух; 6 – регулировочная игла; 7– лопасти (ковши)

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. У таких агрегатов КПД больше 95 %. благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания.

При сооружении ГЭС обычно решают комплекс народнохозяйственных задач, в который помимо выработки электрической энергии входит регулирование стока воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых массивов, развитие энергоемких производств, использующих местное сырье, и т.д.