Принцип работы гидроэлектростанции, ее мощность и выработка электроэнергии

Гидравлическая энергия на участке реки АВ в естественном состоянии быстро уменьшается при движении воды от створа А к створу В, рассеиваясь вдоль русла. После создания напора плотинным или деривационным способом энергия в верхнем бьефе конечного створа В_в почти такая же, как и в створе А, в нижнем бьефе створа В_н она примерно такая, как и в природном состоянии (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Диаграмма энергии Е водного потока: а — в естественном состоянии; б — после сооружения ГЭС; 1—выработанная электроэнергия; 2 — потери электроэнергии; 3 — неиспользованная энергия потока

Гидроэлектростанция — это комплекс гидротехнических сооружений и оборудования для преобразования сконцентрированной гидравлической энергии потока в электрическую энергию (рис. 1.10). Из верхнего бьефа вода поступает в водоприемник 1 и затем но водоводам 2 подводится к турбинам 3. Из проточной части турбин вода отводится в нижний бьеф.

Рис. 1.10. Технологическая схема гидроэлектростанций

Турбина вращает ротор гидрогенератора 4, и в его статоре 5 вырабатывается электрический ток, который подается по шинам 6 на повысительный трансформатор 7, передается на распределительное устройство 8 и под высоким напряжением по линиям электропередачи 9 направляется к потребителям электроэнергии.

Мощность ГЭС можно определить тем же способом, каким определялась мощность потока при выводе формулы (1.7), составив уравнение Бернулли для створов В_в и В_н (рис. 1.9). Выполнив преобразования, получим

Не вся мощность, вычисленная по формуле (1.11), превращается в полезную электрическую мощность, поскольку при преобразованиях энергии неизбежны потери. Их можно учесть, введя понятие суммарного КПД ГЭС - ɳ, учитывающего потери в водоприемнике, водоводах, турбине и генераторе. Тогда полезная электрическая мощность ГЭС определится формулой

Для ориентировочных расчетов, принимая ɳ = 0,87, пользуются формулой

Выработка электроэнергии ГЭС, кВт-ч, за период работы Т определяется по формуле

Мощность ГАЭС в турбинном режиме определяется по формуле (1.12), а в насосном режиме — по формуле

где N_пэс и Э_пэс— мощность, кВт, и годовая выработка электроэнергии, кВт-ч; А — среднегодовая амплитуда прилива, м; А — площадь залива, отсеченного дамбой, км².

Примеры расчетов. 1. Определить мощность ГЭС, турбины которой пропускают расход Q = 2000 м³/с при напоре Н = 25 м.
Решение. Н = 8,5 QН = 8,5 х 2000 х 25 = 425 000 кВт = 425 МВт.

2. Определить годовую выработку электроэнергии той же ТЭС при условии, что ее мощность используется в течение Т = 5200 ч в году.
Решение. Э = NТ = 425 000 x 5200 = 2,210 x 10⁹ кВт-ч = 2,21 млрд кВт-ч.

3. Сопоставить расходы двух ГЭС, имеющих примерно одинаковую: мощность: Нижнекамской на р. Каме мощностью 1248 МВт при напоре 12,4 м и Токтогульской на р. Нарыне мощностью 1200 МВт при напоре 140 м.
Решение. Расход Нижнекамской ГЭС, м³/с,

Пример 3 наглядно показывает энергетическую ценность горных рек, имеющих большой уклон, позволяющий концентрировать на одном гидроузле значительный напор, получать большую мощность при отсутствии большой водности. Так, р. Нарын, протекающая в горной местности Средней Азии, имеет средний уклон 2,75 м/км и при среднемноголетнем стоке 15,4 км³ располагает энергетическим потенциалом 36,5 млрд. кВт-ч.

Средний уклон Камы, протекающей по Европейской равнине, равен 0,11 м/км, среднемноголетний сток 119 км³, энергетический потенциал реки составляет 12,7 млрд. кВт-ч, что почти в 3 раза меньше потенциала р. Нарьша, хотя водность Камы больше в 7,7 раза.

Использование кинетической энергии потока. Выше рассматривалось энергетическое использование только, потенциальной энергии потока. Нельзя ли использовать его кинетическую., скоростную энергию? Безусловно, можно. Существуют многочисленные проекты и предложения создания ГЭС со свободнопоточными (русловыми) гидромашинами с лопастными колесами, вертушками и т. п.

Интересны, например, гирляндные ГЭС Б. С. Блинова, в которых ряд небольших вертушек вращают общий гибкий вал—трос. Определим мощность, которую можно получить от кинетической энергии 1 м² сечения потока. По формуле (1.1) удельная кинетическая энергия е_к= аV²/(2g). 3a 1 с через 1 м² проходит объем воды, численно равный Q, при этом численно Q = V. По аналогии с выражением (1.6)

Принимая а = 1, р = 1000 кг/м³, выражая, мощность в киловаттах и вводя КПД установки (теоретически он не превышает 0,5), получаем

При достаточно высокой для равнинной реки скорости течения 2 м/с мощность, которую можно получить с 1 м², составит всего 2 кВт. Таким образом, речь может идти только о микроГЭС, которые не могут иметь особого значения в хозяйстве. Попытки устройства большого числа таких ГЭС привели бы к загромождению реки и образованию подпора.