Тема 7. Гидравлические и аккумулирующие электрические СТАНЦИИ

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энер­гию воды в электрическую энергию, является наука, на­зываемая гидравликой; она включает в себя гидростати­ку, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающего через некото­рое сечение — створ, определяется расходом воды Q, вы­сотой между уровнем воды в верхнем по течению бас­сейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по те­чению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассей­нов называется напором. Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода (м³/с) и напора (м):

P=9.81QH

В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия η. Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P= 9,81QHη.

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 2.17, а), а в горных местностях строят спе­циальные обводные каналы, называемые деривационны­ми (рис. 2.17, б).

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется дина­мическое давление воды, и реактивной, если использует­ся статическое давление при реактивном (см. рис. 2.11) эффекте.

В ковшовой активной турбине (рис. 2.18, а) 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 (рис. 2.18, 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.

Если скорость движения воды, вытекающей из турби­ны, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механическую энергию турбины.

Внутри сопла расположена регулирующая игла (рис. 2.18), перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

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

Рис. 2.17. Схема создания напора: а —с помощью плотины; б —с помощью деривационно­го канала: / — канал; 2 — напорный бассейн; 3 — тур­бинные водоводы; 4 —здание ГЭС; 5 —русло реки; 5 — плотина

Рис. 2.18. Схема работы активной турбины:

а — схема турбинной установки; 6 — рабочее колесо; 1 — верхний

бьеф; 2 — трубопровод; 3 — сопло; 4 — рабочее колесо; 5 — кожух;

6 — отклонитель; 7 — лопасти (ковши)

Аккумулирующие электрические станции.

Производство электроэнергии на электрических стан­циях и ее потребление различными приемниками пред­ставляют собой процессы, взаимосвязанные таким обра­зом, что в силу физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо момент време­ни должна быть равна генерируемой мощности.

При идеальном равномерном потреблении электро­энергии должна происходить равномерная работа опре­деленного числа электростанций. В действительности работа большинства отдельных электроприемников не­равномерна и суммарное потребление электроэнергии также неравномерно. Можно привести множество при­меров неравномерности работы установок и приборов, потребляющих электроэнергию. Завод, работающий в од­ну или две смены, неравномерно потребляет электриче­скую энергию в течение суток. В ночное время потребля­емая им мощность близка к нулю. Улицы и квартиры ос­вещают только в определенные часы суток. Работа элек­тробытовых приборов, вентиляторов, пылесосов, электри­ческих печей, нагревательных приборов, телевизоров, радиоприемников, электробритв также неравномерна. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наи­большая. График нагрузки некоторого района или города, пред­ставляющий собой изменение во времени суммарной мощ­ности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть генераторов или электростанций должна быть отключе­на или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Число электростанций и их мощность определяются относитель­но непродолжительным максимумом нагрузки потребите­лей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и удорожанию энергосистем. Так, снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрастанию себестои­мости вырабатываемой электроэнергии на 30—35%

Анализ тенденций в потреблении электрической энер­гии показывает, что в дальнейшем неравномерность по­требления будет увеличиваться по мере роста благосо­стояния населения и связанного с ним увеличения ком­мунально-бытовой нагрузки, по мере повышения электро­вооруженности труда. Сокращение числа рабочих дней в неделе также способствует повышению неравномерно­сти потребления электроэнергии. Такое положение ха­рактерно не только для нашей страны. В большинстве стран Западной Европы неравномерность в потреблении электроэнергии такова, что в течение часа изменение на­грузки достигает 30% от максимальной мощности и в перспективе также ожидается увеличение неравномер­ности. Кардинально изменить характер потребления элек­троэнергии очень трудно, так как он зависит от устано­вившегося ритма жизни людей и ряда не зависящих от людей объективных обстоятельств. Например, нельзя изменить того факта, что электрическое освещение нуж­но в вечерние часы с наступлением темноты.

Энергетики по возможности принимают меры по вы­равниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится дифференцированная стоимость электро­энергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки, то и стоимость ее уста­навливается выше. Это повышает заинтересованность по­требителей в таких перестройках работы, которые бы спо­собствовали уменьшению электрической нагрузки в моменты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возможности выравнивания потребления элек­троэнергии невелики. Следовательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций.

В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии (80%) вырабатывается на ТЭС, для ко­торых наиболее желателен равномерный график нагруз­ки. На агрегатах этих станций невыгодно проводить ре­гулирование мощности. Обычные паровые котлы и тур­бины на этих станциях допускают изменение нагрузки всего на 10—15% .

Периодические включения и отключения ТЭС не по­зволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности этих процессов. На запуск тепловой станции в лучшем случае требуются часы. Кро­ме того, работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, повышенному износу теплосилового оборудова­ния и, следовательно, снижению его надежности. Следует учесть также, что ТЭС с высокими параметрами пара имеют некоторые минимальные технически возможные рабочие мощности, составляющие 50—70% от номиналь­ной мощности оборудования. Все это относится не только к ТЭС, но и к АЭС. Поэтому в настоящее время и в бли­жайшем будущем дефицит в маневренных мощностях («пик» нагрузки) покрывается ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля можно произвести за 1—2 мин. Однако в европейской части России степень использова­ния экономически эффективных гидроэнергоресурсов уже превысила 40%. Оставшаяся неиспользованной часть ресурсов относится к периферийным районам и неболь­шим водотокам.

Регулирование мощности ГЭС производится следу­ющим образом. В периоды времени, когда в системе име­ются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Накопление энергии в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что во многих случаях крайне нежелательно. Небольшие ре­ки малопригодны для регулирования мощности в систе­ме, так как они не успевают заполнить водой водохрани­лище.

Задачу снятия пиков решают гидроаккумулирующие, станции (ГАЭС), работающие следующим образом (рис. 2.23). В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальна, ГАЭС| перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы (рис. 2.23, а). В режиме непродолжительных «пиков» -максимальных значений на­грузки— ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

В европейской части России возможно соору­жение до 200 ГАЭС. В энергосистемах, распо­ложенных в центральной, северо-западной и южной частях, где имеется наи­больший дефицит манев­ренной мощности, естест­венные перепады рельефа позволяют сооружать станции с небольшим на­пором (80—110 м).

На первых ГАЭС для выработки электроэнер­гии использовали турби­ны Т и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн — элек­трические двигатели Д и насосы Н (рис. 2.23,6). Такие станции называли четырех машинными — по числу устанавливаемых машин. В силу независимости работы генератора и насоса иногда четырехмашинная схема оказы­вается экономически наиболее выгодной. Совмещение функций генератора и двигателя привело к трехмашинной компоновке ГАЭС (рис. 2.23, в).

Рис. 2.23. Схема работы гидроаккумулирующей станции:

а — схема станции: 1 — верхний бассейн; 2 — водовод; 3 — здание ГАЭС; 4 — нижний бассейн; 6, в и г — компоновка агрегатов стан­ции четырехмашинная, трехмашинная и двухмашинная

ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и тур­бин, и насосов (рис. 2.23, г). Число машин при этом све­дено к двум. Однако станции с двухмашинной компонов­кой имеют более низкое значение КПД из-за необходи­мости создавать в насосном режиме примерно в 1,3—1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме напор из-за трения в водоводах меньше. Для того чтобы агрегат одинаково эффективно работал как в генераторном, так и в насос­ном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения.

Применение разных частот вращения в обратимых ге­нераторах привело к усложнению и удорожанию их кон­струкции.

КПД агрегата можно повысить также, устанавливая в насосном режиме более крутой угол наклона лопастей турбины.

При реверсивной работе агрегатов возникает ряд тех­нических и эксплуатационных трудностей, например, свя­занных с охлаждением. Предназначенные для охлажде­ния вентиляторы успешно работают только в одном на­правлении вращения.

Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым применительно к этим станциям понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Первые ГАЭС в начале XX в. имели КПД не выше 40%, У современных ГАЭС КПД составляет 70—75%. К преимуществам ГАЭС кроме относительно высокого значения КПД относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных ГЭС здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить высокие плотины с длинными туннелями и т. п.

Ориентировочно на 1 кВт установленной мощности на крупных речных ГЭС требуется 10 м³ бетона, а на круп­ных ГАЭС — всего лишь несколько десятых кубометров бетона.

ГАЭС и ветровые электростанции, отличающиеся не­постоянством вырабатываемой мощности, удачно соче­таются между собой. При этом трудно рассчитывать на мощность ветровых станций в часы «пик» в энергосисте­ме. Если же вырабатываемую на этих станциях электро­энергию запасать на ГАЭС в виде воды, перекачиваемой в верхний бассейн, то выработанная на ветровых электро­станциях за какой-либо промежуток времени энергия мо­жет быть использована в соответствии с потребностями системы.

Преимущества ГАЭС позволяют широко применять их для аккумулирования энергии.

Впиковые часы потребления электроэнергии наряду с ГАЭС можно использо­вать супермаховики.

Супермаховик — это маховик, который можно разгонять до огромной скорости, не боясь его разрыва. Он состоит из концентри­ческих колец, навитых из кварцевого волокна и насаженных друг на друга с небольшими зазорами, заполненными эластичным веще­ством типа резины для предохранения обода от расслоения. Супер­маховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, в котором поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии в системе, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать. По некоторым расчетам, затраты на 1 кВт установленной мощности супермаховика меньше, чем при гидроаккумулировании. Разработан проект супермаховика массой 1,96 МН и диаметром 5 м, в котором предусматривается накопление энергии до 20 МВт×ч. Рабочая частота вращения супермаховика—3500 мин-¹.

Рис. 2.24. Схема агрегата, аккумулирующего ме­ханическую энергию:

1 — супермаховик; 2 — мотор-генератор; 3 — подшипник; 4 — камера супермаховика

На рис. 2.24 показан проект установки с аккумулирующим энергию супермаховиком.

Возможны аккумулирующие установки, создающие запас сжатого воздуха. Энергию этого воздуха Э_в можно использовать для приведения в действие турбин, вра­щающих генераторы, которые в пик нагрузки будут от­давать энергию Э_в в сеть.

Электрические установки, аккумулирующие электро­энергию. Такие установки в виде индуктивных или емко­стных накопителей могут подключаться через выпря­митель к сети переменного тока. Индуктивные — получа­ют заряд

ЭL = LI²/2, где I — выпрямленный ток; L — ин­дуктивность. Емкостной -заряжается до величины Эс=СU²/2, где U — выпрямленное напряжение; С — емкость конденсаторов.

Для уменьшения потерь и длительного сохранения накопленной энергии применяются специальные меро­приятия (охлаждение, уменьшение активного сопротив­ления, увеличение L и С и т. д.). Накопленная энергия Э_l или Э_с отдается в сеть через преобразователь в виде энергии переменного тока.

Энергия морских приливов, или, как иногда ее назы­вают, «лунная энергия», известна человечеству со времен глубокой древности. Эта энергия еще в далекие истори­ческие эпохи использовалась для приведения в движение различных механизмов, в особенности мельниц. В Гер­мании с помощью энергии приливной волны орошали поля, в Канаде — пилили дрова. В Англии приливная водоподъемная машина служила в прошлом веке для снабжения Лондона водой.

Существует огромное количество остроумных проек­тов приливных технических установок. Только во Фран­ции к 1918 г. было опубликовано более 200 таких патен­тов. В начале XX в. предпринимались попытки сооруже­ния мощных приливных электростанций. В США в 1935 г. было начато строительство ПЭС Кводди мощностью 200 тыс. кВт. Вскоре строительство, на которое ушло 7 млн. долл., было прекращено из-за выявившейся вы­сокой стоимости электроэнергии (на 33% больше стои­мости на тепловой станции). По составленному в 1940г. в СССР проекту Кислогубская ПЭС вырабатывала бы электроэнергию стоимостью в 2 раза большей, чем у реч­ных электростанций.

Приливные электрические станции (ПЭС) выгодно от­личаются от ГЭС тем, что их работа определяется косми­ческими явлениями и не зависит от многочисленных по­годных условий, определяемых случайными факторами.

Наиболее существенный недостаток ПЭС — неравно­мерность их работы. Неравномерность приливной энергетической энергии в течение лунных суток и лунного месяца, отлича­ющихся от солнечных, не позволяет систематически ис­пользовать ее в периоды максимального потребления в системах. Можно компенсировать неравномерность ра­боты ПЭС, совместив ее с ГАЭС. В то время, когда име­ется избыточная мощность ПЭС, ГАЭС работает в насос­ном режиме, потребляя эту мощность и перекачивая воду в верхний бассейн. Во время спадов в работе ПЭС в ге­нераторном режиме работает ГАЭС, выдавая электро­энергию в систему. В техническом отношении такой про­ект удачен, но дорогостоящ, так как требуется большая установленная мощность электрических машин.

Также удачно ПЭС может сочетаться с речной ГЭС, имеющей водохранилище. При совместной работе ГЭС увеличивает мощность при спаде мощности ПЭС и ее ос­тановке; в то время как ПЭС работает с достаточно большой мощностью, ГЭС запасает воду в водохранили­ще. Таким образом, можно уменьшить как суточную, так и сезонную неравномерность работы ПЭС.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напо­ра, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах. В настоящее время создана доста­точно совершенная и компактная горизонтальная турби­на двойного действия. Электрический генератор и часть деталей турбины заключены в водонепроницаемую кап­сулу и весь гидроагрегат погружен в воду.