И характеристики гидроэнергетических установок

Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) – это совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и преобразующих гидравлическую энергию воды в электрическую энергию.

Основные типы гидроэнергетических установок:

1) гидроэлектростанции (ГЭС);

2) насосные станции (НС);

3) гидроаккумулирующие станции (ГАЭС);

4) приливные электростанции (ПЭС).

По типу турбин различают ГЭУ:

· c осевыми турбинами;

· с диагональными турбинами;

· с радиально–осевыми турбинами;

· с ковшовыми турбинами.

Гидроэлектростанция (ГЭС) –основной тип гидроэнергетических установок.

В зависимости от напора ГЭС подразделяют на высоконапорные (более 80 м), средненапорные (от 25 до 80 м) и низконапорные (до 25 м).

По установленной мощности различают мощные ГЭС (свыше 250 МВт), средние (до 25 МВт) и малые (до 5 МВт).

В зависимости от размещения здания ГЭС различают плотинные, приплотинные, деривационные и смешанные ГЭС. В первом случае ГЭС называют русловыми или плотинными, во втором – приплотинными. Если напор воды превышает 25 метров, то здание ГЭС обычно размещается за плотиной, внизу ее. На горных реках сооружаются ГЭС, которые используют большие естественные уклоны реки. Однако при этом обычно приходится создавать систему деривационных сооружений. К ним относятся сооружения, направляющие воду в обход естественного русла реки: деривационные каналы, туннели, трубы.

Основными сооружениями ГЭС на равнинной реке являются плотина, создающая водохранилище и сосредоточенный перепад уровней, т.е. напор, и здание ГЭС, в котором размещаются гидротурбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование. В случае необходимости строятся водосбросные и судоходные сооружения, рыбопропускные сооружения и т.п. Плотина является наиболее важным и ответственным звеном гидроузла. Высота плотины определяется площадью затопления земель при проектировании площади водохранилища. Зеркало воды перед плотиной и после плотины называют соответственно верхним и нижним бьефом. Разницу высот между верхним и нижним бьефами называют напором ГЭС. На случай превышения допустимой величины напора предусмотрена система аварийного сброса воды (водосброс) из верхнего бьефа в нижний.

Вода под воздействием силы тяжести по водоводам движется из верхнего бьефа в нижний бьеф, вращая рабочее колесо турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором электрического генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидрогенератор. В турбине энергия водотока преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую. Возможно создание на реках каскадов ГЭС. В России построены и успешно эксплуатируются Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС.

Количество вырабатываемой электрической энергии W (кВт∙ч) на ГЭС определяется по формуле:

W = Р t = Q H t η,

где Р – мощность электрических генераторов, установленных на ГЭС, кВт;

t – время работы гидрогенераторов, ч;

Q – количество воды, проходящей через створ ГЭС, м³/сек;

Н – напор воды, м;

η – КПД гидрогенераторов (о.е.).

Количество вырабатываемой электрической энергии определяется количеством воды, проходящей через створ ГЭС. На русловых и приплотинных ГЭС она определяется годовым стоком воды реки и характеристикой этой реки. Продолжительность использования установленной мощности гид­роэлектростанций, как правило, меньше, чем тепловых электростанций. Она составляет 1500–3000 часов для пиковых станций и до 5000–6000 часов для базовых при годовом ресурсе 8760 ч. На деривационных ГЭС количество электрической энергии зависит от напора ГЭС и пропускной способности деривационных сооружений.

ГЭС как источник электрической энергии имеют существенные преимущества перед тепловыми и атомными электростанциями. Они лучше приспособлены для автоматизации и требуют меньшего количества эксплуатационного персонала. Работа ГЭС характеризуется частыми пусками и остановами агрегатов, быстрым изменением рабочей мощности от нуля до номинальной. Гидравлические турбины по своей природе приспособ­лены к такому режиму. Для гидрогенераторов этот режим также прием­лем, так как в отличие от паротурбинных генераторов осевая длина гид­рогенератора относительно мала и температурные деформации стержней обмотки проявляются меньше. Процесс пуска гидроагрегата и набора мощности полностью автоматизирован и занимает от нескольких десятков секунд до несколько минут, поэтому резервирование мощности в энергосистеме целесообразно осуществлять агрегатами ГЭС.

В электрической части ГЭС подобны тепловым конденсационным электростанциям (КЭС) – предусматривается блочное соединение генераторов с трансформаторами, энергия выдается в систему на повышенных напряжениях (220–1150 кВ). Отличительной особенностью ГЭС является небольшое потребление электроэнергии на собственные нужды в связи с отсутствием крупных механизмов.

Капитальные затраты при сооружении ГЭС обычно больше, чем при сооружении ТЭС, но меньшие эксплуатационные издержки обеспечивают низкую себестоимость электроэнергии, в несколько раз меньшую, чем на КЭС и АЭС. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет 85–90%.

Показательны следующие средние значения удельной численности персонала станций различного вида на 1 млн. кВт установленной мощности: для ГЭС – 300, для ТЭС – 1400, для АЭС – 1800 чел. Но это только на самой станции, а еще нужно добавить трудозатраты на добычу и транспортирование топлива, в итоге требуемая удельная численность персонала на 1 млн. кВт для ТЭС (АЭС) в среднем составляет 2500 чел.

В России построены и эксплуатируются следующие крупные ГЭС: каскад Волжских ГЭС мощностью около 2530 МВт, Братская ГЭС – 4500 МВт, Красноярская ГЭС – 6000 МВт, Саяно–Шушенская ГЭС – 6400 МВт и др.

Насосная станция (НС) предназначена для перекачки воды низких отметок воды на высокие и транспортирования воды в удаленные пункты. На НС устанавливаются насосные агрегаты, состоящие из насоса и электродвигателя. Очевидно, что НС является потребителем электроэнергии.

Насосные станции используются для водоснабжения тепловых и атомных станций, коммунально–бытового и промышленного водоснабжения (районные водозаборы), а также в ирригационных системах, в судоходных каналах и т.п.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) предназначена для перераспределения во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция. Потребляя электроэнергию она перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний. Тем самым создаются запасы гидроэнергии за счет повышения уровня верхнего бьефа.

Обратимые гидромашины (насосотурбины) получают все большее развитие в связи с интенсивным строительством ГАЭС, предназначенных для выравнивания графика нагрузки энергосистем. В ночные часы, когда в энергосистеме имеется избыток мощности, агрегаты ГАЭС работают в насосном режиме и аккумулируют энергию, перекачивая воду из нижнего бассейна в верхний. В часы максимума нагрузки (пика) они включаются в турбинный режим и выдают энергию в энергосистему. Таким образом, обратимая гидромашина может использоваться и как насос, и как турбина. Мощность отдельных ГАЭС с такими обратимыми гидроагрегата­ми достигает 1620 МВт.

ГАЭС могут строиться изолированно либо в составе электрических (гидроэнергетических) комплексов, представляющих собой совокупность двух или нескольких электрических станций, объединенных совместным технологическим использованием водоемов, электротехнических и других устройств, а также их совместной эксплуатацией. Наиболее эффективным является совместное планомерное строительство отдельных элементов комплекса с поэтапным вводом их в эксплуатацию.

В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как ГЭС. Вода из верхнего бьефа пропускается через турбины в нижний бьеф, и ГАЭС выдает электроэнергию в энергосистему. В процессе работы ГАЭС потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую энергию в период пика нагрузки (за счет разности тарифов). Заполняя провалы нагрузки в энергосистеме, она позволяет работать агрегатам атомных и тепловых станций в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт∙ч электроэнергии в энергосистеме.

В настоящее время в России работает Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт, ведется проектирование и строительство других ГАЭС, в частности Тереблинской ГАЭС.

Приливная электростанция (ПЭС) сооружается на побережье морей и океанов со значительными приливно–отливными колебаниями уровня воды. Для этого естественный залив отделяется от моря плотиной и зданием ПЭС. При приливе уровень моря будет выше уровня воды в отделенном от него заливе, а при отливе, наоборот, ниже, чем уровень воды в заливе. Перепады этих уровней создают напор, который используется при работе гидротурбин ПЭС.

В некоторых морских заливах приливы достигают 10–12 м, а наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Канада) – до 21 м.

Технические ресурсы приливной энергии России оцениваются в 200–250 млрд. кВт∙ч в год и в основном сосредоточены у побережья Охотского, Берингова и Белого морей.