Основы гидроэнергетики. Основные способы создания напора

В природных условиях энергия рек рассеивается по их длине, и использовать ее практически невозможно. С помощью искусственных гидротехнических сооружений перепад участка реки можно сосредоточить в одном створе и получить некоторый напор Н, близкий к перепаду участка. Установив турбины и пропуская через них расход воды Q под напором Н, можно получить соответствующую мощность N.

Существуют два основных способа создания напора: плотинный и деривационный. Плотинный способ состоит в том, что в конце рассматриваемого участка (створ В на рис. 1.3) реку перегораживают плотиной, которая создает подпор воды, распространяющийся до начала участка (створ А), при этом перепад между створами Н_АВ сосредоточивается в створе В, а перед плотиной образуется водохранилище, т. е. искусственный водоем, образованный подпорными сооружениями.

Рис. 1.3. Плотинная схема создания напора: 1 — плотина; 2 — здание ГЭС; 3 — водохранилище

Водное пространство, прилегающее к верховой стороне подпорных сооружений, называется верхним бьефом, к низовой стороне — нижним бьефом. Уровень верхнего бьефа, или подпорный уровень, обозначается , уровень нижнего бьефа— Разность уровней верхнего и нижнего бьефов называется статическим напором

Статический напор Н несколько меньше перепада уровней Н_АВ, так как вода в верхнем бьефе имеет не горизонтальную, а вогнутую поверхность, образующую кривую подпора. Потери напора. расходуются на перемещение воды в верхнем бьефе.

В створе В сооружают гидроэлектростанцию, через турбины которой пропускают под напором Н воду для выработки электроэнергии.

Построить такую плотину, которая позволила бы использовать сразу весь перепад реки от устья до ее верховий, обычно невозможно, к тому же это привело бы к непомерным затоплениям. Поэтому реку разбивают на несколько участков по длине и в конце каждого участка создают плотину, подпор от которой распространяется до вышележащей плотины.

Совокупность гидроузлов, расположенных на одной реке, называют каскадом, а каждый отдельно используемый участок с гидроэлектростанцией на нем — ступенью каскада (рис. 1.4). Напор, создаваемый Плотиной в равнинных условиях, обычно не превышает 30—40 м, но в горных условиях он может достигать 300 м.

Рис. 1.4. Схема каскада гидроузлов: 1 — расположение плотины при одноступенчатой схеме; 2 — ступени каскада

На реках со сравнительно небольшим расходом воды и со значительными уклонами русла, как правило, в горных условиях, может применяться деривационный способ создания напора. Он заключается в том, что в начале используемого участка (створ А) воду отводят из естественного русла в искусственный водовод, называемый деривацией, и подводят ее к концу участка (створ В).

Напор создается за счет разности уклонов деривационного водовода и естественного русла. Если в качестве деривационного водовода применен канал (или безнапорный туннель), деривация называется безнапорной (рис. 1.5, а, б). Канал или туннель трассируют с минимальным уклоном, используя благоприятные топографические условия. В этой схеме также не используется часть перепада участка AB из-за неизбежных потерь h_дер в деривации.

Рис. 1.5. Схема расположения сооружений деривационного гидроузла: а, б — с безнапорной деривацией; в — с напорной подводящей деривацией; а — с напорной отводящей деривацией; 1 — плотина; 2 — подводящий деривационный канал; 3 — напорный бассейн; 4 — холостой водосброс; 5 — здание ГЭС; 6 — отводящий деривационный канал; 7 — турбинный водовод; 8 — водохранилище; 9 — напорный деривационный водовод; 10 — уравнительный резервуар; 11 — отводящий деривационный водовод

Если деривация выполнена в виде напорного туннеля (или трубопровода) , то она называется напорной (рис. 1.5, в). На рис. 1.5, б, в здание ГЭС располагается в конце деривации, называемой в этом случае подводящей. Возможно другое решение (рис. 1.5, г) — размещение здания ГЭС на низких отметках и отвод от него воды с помощью безнапорной или напорной отводящей деривации.

Часть напора Н_пл в деривационных схемах может создаваться плотиной (рис. 1.5, в, г). Деривационным способом можно создать любой обеспеченный природными условиями напор, возможно создание каскадов гидроузлов.

Применение деривационного способа на многоводных реках и реках с умеренным падением привело бы к устройству весьма протяженных водоводов большого сечения с очень большими объемами работ и непомерной стоимостью и поэтому нереально. Деривационные схемы с созданием больших мощностей возможны только на горных реках. .

Природные условия позволяют иногда использовать напор, образующийся за счет разницы уровней близко расположенных рек или озер разных бассейнов. В этом случае воду перебрасывают в нижерасположенный водоток или водоем через туннель или канал (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Использование напора между смежными водотокам

Существуют также гидроэлектростанции, работа которых не связана с использованием гидравлической энергии рек.

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию .морских приливов, возникающих под влиянием сил притяжения в космической системе Земля — Луна — Солнце и создающих на отдельных участках побережья колебания уровня моря, достигающие 10—15 м, с периодичностью 6 ч 12 мин. Если на таком побережье имеется достаточных размеров залив, соединенный с морем нешироким проливом, то этот пролив можно перегородить плотиной и соорудить при ней ПЭС (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Схема приливной электростанции: а — план; б — схема работы при приливе; в — то же при отлива

Когда наступает прилив, между морем ІИ заливом образуется перепад уровней—напор. Наполняя залив через турбины ПЭС, можно в течение некоторого времени получать электроэнергию. Затем следует обратный цикл, когда вода, задержанная в заливе на наивысшем уровне прилива, сливается в море в часы отлива через турбины при том же напоре.

Запасы приливной энергии определены по мощности в 113 млн. кВт с возможной годовой выработкой электроэнергии 270 млрд. кВт-ч. Однако удобных для строительства ПЭС заливов в природе мало, поэтому использование приливной энергии пока не получило широкого распространения; кроме тог ПЭС очень дороги.

Гидроаккумулирующие электростанции имеют в своем составе верхний и нижний бассейны, соединенные трубопроводами и проточной частью гидравлических машин, которые могут работать попеременно в качестве турбин или насосов (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема гидроаккумулирующей электростанции: 1 — верхний бассейн: 2 — напорный трубопровод; 3 — нижний бассейн; 4 — здание ГАЭС; h_ср — глубина сработки

В периоды избытка энергии в энергосистеме агрегаты ГАЭС работают в насосном режиме и закачивают воду из нижнего в верхний бассейн, потребляя электроэнергию, выработанную другими электростанциями. Поднятая на высоту Н вода приобретает запас потенциальной энергии. В периоды наибольшего потребления энергии эта вода сливается в нижний бассейн, проходя через турбины я вырабатывая электроэнергию.

ГАЭС — пока единственные освоенные техникой аккумуляторы, способные запасать энергию в промышленных масштабах. В целом ГАЭС потребляет электроэнергии больше, чем вырабатывает, но при этом экономит топливо на тепловых электростанциях, обеспечивающих работу ее в насосном режиме. Отношение выработанной электроэнергии к затраченной называется коэффициентом полезного действия (КПД) гидроаккумулирования и составляет 0,73—0,8.