2.2.4 Гидроэлектростанции

ГЭС вырабатывается около 15 % всей электроэнергии. Наиболее крупными являются Красноярская ГЭС (6 млн. кВт), Братская ГЭС (4,5 млн. кВт), Саяно-Шушенская ГЭС (6,4 млн. кВт), Усть-Илимская ГЭС (4,32 млн. кВт).

На ГЭС для получения электроэнергии используется энергия водных потоков (рек, водопадов и т. д.).

Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, которые приводят во вращение синхронные гидрогенераторы. Мощность Р, развивае­мая гидроагрегатом, пропорциональна напору Н и расходу воды Q, т. е.

Р  QH. (2.1)

На ГЭС напор воды создается плотиной (рисунок 2.5). Вод­ное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже пло­тины  нижним бьефом. Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет напор Н.

Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, используемая по мере необходимости для выработки электроэнергии. Размещение основных объектов, входящих в состав электростанций, по­казано на примере приплотинной ГЭС (рисунок 2.6, 2.7).

При сооружении ГЭС помимо выработки электроэнергии решаются важные народнохозяйственные задачи: орошение земель и развитие судо­ходства, обеспечение водоснабжения крупных городов и промышленных предприятий и т. д.

Рисунок 2.5  Принципиальная технологическая схема ГЭС

1  здание ГЭС

2  станционная бетонная плотина

3  бетонный водослив

4  право- и левобережная каменно-набросные плотины

5  ОРУ ВН и СН

Рисунок 2.6  План размещения основных объектов приплотинной ГЭС

ГЭС обычно имеют водохранилища, позволяющие аккумулировать воду и регулировать ее расход и, следовательно, рабочую мощность станции так, чтобы обеспечить наивыгоднейший режим для энергосистемы в целом.

1  плотина

2  водовод

3  площадка электротехнического оборудования

высокого напряжения

4  здание машинного зала ГЭС

Рисунок 2.7  Разрез по станционной плотине ГЭС

Процесс регулирования заключается в следующем. В течение некоторого времени, когда нагрузка энергосистемы мала (или естественный приток воды в реке велик), ГЭС расходует воду в количестве, меньшем естественного притока. При этом вода накапливается в водохранилище, а рабочая мощность станции относительно мала. В другое время, когда нагрузка системы велика (или приток воды мал), ГЭС расходует воду в количестве, превышающем естественный приток. При этом расходуется вода, накопленная в водохранилище, а рабочая мощность ГЭС увеличивается до максимальной. В зависимости от объема водохранилища период регулирования или время, необходимое для наполнения и срабатывания водохранилища, может составлять сутки, неделю, несколько месяцев и более. В течение этого времени ГЭС может израсходовать строго определенное количество воды, определяемое естественным притоком.

ГЭС обычно удалены от центров потребления. Поэтому электроэнергия, вырабатывае­мая ГЭС, выдается на высоких и сверхвысоких напряжениях (110500 кВ). Отличительной особенностью ГЭС является небольшое потребление элек­троэнергии на собственные нужды, которое обычно в несколько раз мень­ше, чем на ТЭС. Это объясняется отсутствием на ГЭС крупных механиз­мов в системе собственных нужд.

Технология производства электроэнергии на ГЭС относительно проста и легко поддается автоматизации. Пуск агрегата ГЭС занимает не более 50 с, поэтому резерв мощности в энергосистеме целесообразно обеспечить именно этими агрегатами.

КПД ГЭС обычно составляет около 85-90%.

Благодаря меньшим эксплуатационным расходам себестоимость элек­троэнергии на ГЭС в несколько раз меньше, чем на ТЭС.

При совместной работе ГЭС с ТЭС и АЭС нагрузку энергосистемы распределяют между ними так, чтобы при заданном расходе воды в течение рассматриваемого периода обеспечить спрос на электрическую энергию с минимальным расходом топлива (или минимальными затратами на топливо) в системе. В течение большей части года ГЭС целесообразно использовать в пиковом режиме. Это означает, что в течение суток рабочая мощность ГЭС должна изменяться в широких пределах  от минимальной в часы, когда нагрузка энергосистемы мала, до максимальной в часы наибольшей нагрузки системы. При таком использовании ГЭС нагрузка ТЭС выравнивается и работа их становится более экономичной.

В периоды паводка, когда естественный приток воды в реке велик, целесообразно использовать ГЭС круглосуточно с рабочей мощностью, близкой к максимальной, и таким образом уменьшить холостой сброс воды через плотину.

Работа ГЭС характеризуется частыми пусками и остановками агрегатов, быстрым изменением рабочей мощности от нуля до номинальной. Гидравлические турбины по своей природе приспособлены к такому режиму. Для гидрогенераторов такой режим также приемлем, так как в отличие от паротурбинных генераторов осевая длина гидрогенератора относительно мала и температурные деформации стержней обмотки проявляются меньше.

Продолжительность использования установленной мощности ГЭС меньше, чем тепловых электростанций. Она составляет 15003000 ч для пиковых станций и до 50006000 ч для базовых.