Гидравлическое аккумулирование энергии

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) в отличие от обычных гидроэлектростанций являются не только комплексом сооружений и оборудования для генерирования электроэнергии, но и ее потребления для преобразования в потенциальную энергию поднятой воды. Процессы потребления, преобразования и последующего генерирования электроэнергии, осуществляемые ГАЭС, называются гидроаккумулированием.

Работа ГАЭС, как и других аккумуляторов электроэнергии, заключается в смене двух раздельных во времени режимов: накопления энергии или заряда и ее отдачи потребителям — разряда ГАЭС.

Заряд ГАЭС представляет собой подъем воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего в верхнее водохранилище. Эти водохранилища называются также резервуарами или бассейнами. Такой режим работы происходит во время снижения электропотребления ночью, в выходные и праздничные дни, а также при аварии на других станциях или электрических сетях энергосистемы. При разряде вода срабатывается из верхнего в нижний резервуар, т. е. пропускается через турбины или обратимые гидромашины. Таким образом, гидроаккумуляторы при заряде работают как насосные станции, а при разряде — в качестве гидроэлектростанций. При этом мощность турбинного режима выражается той же формулой, что и для ГЭС, а для насосного режима — формулой мощности насосных станций

N_н = 9,81*Q*H_н / η_н (1.4)

где N_H— мощность насосного режима, кВт; Н_н — подведенный напор, определяемый суммой статического напора и его гидравлических потерь; η_тн — к. п. д. насосного режима; -Q—подача воды.

Несмотря на многообразие условий строительства и эксплуатации ГАЭС их можно классифицировать по следующим основным признакам:

1) по возможности использования речного стока для выработки электроэнергии совместно с гидроаккумулированием;

2) по продолжительности одного цикла заряда — разряда ГАЭС на всю полезную вместимость резервуаров;

3) по типу основного гидроэнергетического оборудования.

Рис. 10.. Основные схемы и элементы ГАЭС.

1 — верхний резервуар; 2 — напорный трубопровод; 3 — нижний резервуар; 4 — здание ГАЭС; 5 —здание насосной станции.

По возможности использования речного стока ГАЭС разделяются на совмещенные и несовмещенные с гидроэлектростанциями. Если источником энергии, получаемой при заряде ГАЭС, являются только другие станции, то такие ГАЭС являются несовмещенными с гидроэлектростанциями. Естественная приточность воды в верхний резервуар этих ГАЭС практически отсутствует (рис. 10,а), а высота подъема и высота сработки воды из одного в другой резервуар одинаковы. Такие станции иногда называются ГАЭС чистого аккумулирования, а также полного аккумулирования.

При совмещенном или "неполном" гидроаккумулировании к воде, перекачиваемой из нижнего в верхний резервуар, добавляется речной сток, который увеличивает энергию разряда на выработку электроэнергии обычной ГЭС (рис. 10,6). Верхним резервуаром в этом случае может быть водохранилище в виде подпертого бьефа или озера, которое также регулирует сток, а нижний резервуар создается в нижнем бьефе путем его подпора нижележащей ступенью ГЭС или специально созданной плотиной. Такие совмещенные установки называются ГАЭС смешанного типа, или ГЭС—ГАЭС.

В рассматриваемой схеме ГЭС—ГАЭС увеличение мощности и выработки энергии используемого речного стока достигается за счет многократного перемещения воды из нижнего бьефа в верхний.

Для русловых низконапорных станций значительное увеличение расхода воды в режиме разряда за счет использования естественной приточности и перекачиваемой во время заряда воды приводит к существенному подъему уровня нижнего бьефа и сокращению напора, что вызывает ограничение мощности ГЭС — ГАЭС. Поэтому совмещенное гидроаккумулирование с увеличением используемого расхода воды применяется главным образом при высоконапорных приплотинных и деривационных схемах концентрации напора.

Совмещенное гидроаккумулирование с увеличением напора осуществляется в схемах с переброской стока. При этом высота насосного подъема воды на водораздел должна быть меньше напора, подводимого к турбинам (см. рис. 10,в). В этом случае насосное и турбинное оборудование расположено на разных станциях.

В районах, бедных гидроресурсами и нуждающихся в пиковых мощностях, получили преимущественное распространение ГАЭС несовмещенного типа. Такие станции строятся вблизи центров электропотребления при наличии благоприятных естественных условий. Они определяются главным образом возможностью концентрации наибольшего напора с расположением верхнего и нижнего резервуаров при наименьшем расстоянии между ними в плане.

Для верхних резервуаров используются как существующие водоемы — озера и водохранилища, так и специально создаваемые бассейны. В качестве нижних резервуаров помимо озер и водохранилищ рассматривается также возможность использования морских заливов.

Стремление к увеличению напора ГАЭС несовмещенного аккумулирования привело к разработке схем шахтного типа с подземным размещением не только машинного зала, но и нижнего резервуара, располагаемого в скальных породах на глубине 500—1000 м и более. При этом нижний резервуар намечается выполнить в виде системы продольных и поперечных галерей, а для верхнего резервуара использовать существующий водоем, который может служить также прудом-охладителем тепловой или атомной электростанции.

По длительности цикла гидроаккумулирования, определяемого временем полной сработки и наполнения полезного объема резервуаров, ГАЭС разделяются на станции суточного, недельного и сезонногодового аккумулирования. Целесообразность применения этих циклов зависит от вместимости резервуаров, степени неравномерности суточной, недельной и сезонной нагрузок и технико-экономических показателей гидроаккумулирования каждого цикла.

По составу основного гидроэнергетического оборудования ГАЭС классифицируются следующим образом: с раздельными насосными и турбинными агрегатами, которые образуют четырехмашинную схему оборудования; с комбинированными агрегатами — трех машинная схема и обратимыми агрегатами — двухмашинная схема.

Раздельные агрегаты насосов с электродвигателями, смонтированными на одном валу, и турбин с генераторами на другом валу применялись главным образом на начальном этапе развития гидроаккумулирования, т. е. в конце прошлого века, и применяются в установках для переброски стока, в которых здания насосных станций и гидроэлектростанций находятся в разных местах. В зависимости от высоты подъема воды используются осевые и центробежные насосы, которые выполняются одноступенчатыми или многоступенчатыми. Типы турбин на ГАЭС, так же как и на ГЭС, применяются в зависимости от напора и мощности агрегатов.

Преимуществами ГАЭС с раздельным оборудованием являются высокие значения к.п.д. в обоих режимах и возможность быстрого включения в работу и остановку этих станций. Недостатки — большие капиталовложения в ГАЭС.

Рис.11. Здание ГАЭС с трехмашинными вертикальными агрегатами.

В 20-е годы прошлого столетия вместо раздельного оборудования на ГАЭС стали внедряться комбинированные агрегаты с расположением на одном валу реактивной (рис. 11) или активной (рис. 12) турбины, насоса и реверсивной электромашины. Положение вала агрегата при его единичной мощности до 90—100 МВт принимается горизонтальным, при более высоких мощностях и значительных колебаниях уровней нижнего резервуара — вертикальным.

Рис.12. Подземная ГАЭС Лаго-Делио (Италия) с комбинированными агрегатами.

При вертикальном расположении вала комбинированного агрегата, получившем наибольшее распространение, сверху располагается двигатель-генератор, под ним —реактивная или ковшовая турбина (в зависимости от напора) и внизу — центробежный насос. Между турбиной и насосом иногда устанавливают муфту, которая служит для отключения насоса при работе турбины. На многих станциях вместо муфты сцепления, являющейся дорогой и громоздкой машиной, принято жесткое соединение турбины и насоса. В этом случае вода из камеры насоса при работе агрегата в турбинном режиме удаляется сжатым воздухом и рабочее колесо насоса вращается с валом агрегата. Подвод воды к турбинам комбинированных агрегатов и отвод от насосов осуществляются трубопроводами, которые перекрываются затворами. Ковшовые турбины устанавливаются выше наибольшего уровня нижнего резервуара, а насосы — ниже минимального уровня в соответствии с условием бескавитационной работы, что требует их значительного заглубления и увеличения высоты агрегата, как это видно на примере ГАЭС Лаго-Делио (Италия), где насосы заглублены более чем на 40 м (рис. 12).

ГАЭС с комбинированным оборудованием имеют такое же высокое значение к. п. д. в обоих режимах работы, как и ГАЭС с раздельным оборудованием. Кроме того, одинаковое направление вращения ротора комбинированных агрегатов облегчает их пуск в обоих режимах и перевод из одного в другой выполняется без остановки агрегата. Но в результате более высокой стоимости комбинированного оборудования по сравнению с обратимым ограничена область использования трехмашинных агрегатов напорами от 500—600 м и выше (рис. 12).

Для меньших напоров начиная с 50-х годов 20 века широкое распространение получили ГАЭС с двухмашинной схемой оборудования в виде реверсивного двигателя-генератора и обратимой гидромашины, смонтированных на вертикальном валу.

Осевые обратимые машины применяются для напоров до 40 м, диагональные — от 30 до 150 м и радиально-осевые — от 30 до 600 м. При -более высоких напорах помимо комбинированного оборудования перспективно применение многоступенчатых радиально-осевых гидромашин.

ГАЭС в современных условиях работы энергетических систем играют исключительную роль по обеспечению их надежной и экономичной работы. Этому способствует ряд объективных энергетических факторов.