1.2.5. Гидравлические электрические станции

Изучением работы гидравлических электрических станций (ГЭС), преобразующих энергию воды в электрическую энергию, занимается наука, называемая гидравликой. Она включает в себя гидростатику, исследующую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающегочерез некоторое сечение  створ, определяется расходом водыQ, 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.

На 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, приблизительно равным 0,981.

Выбор места сооружения ГЭС является сложной геологической и строительной задачей. Очень не просто подыскать на реке место для сооружения гидроузла, включающего в себя плотину, водохранилище, обводной канал, шлюз и другие сооружения.

По конструкции ГЭС подразделяют на три типа:

1. Русловые.

2. Приплотинные.

3. Деривационные.

На русловых ГЭС машинный зал является частью плотины (см. рис. 1.16).

Такую конструкцию имели миниГЭС, очень распространенные в пятидесятые годы прошлого столетия

Рис. 1.16 - Русловая ГЭС

1 – машинный зал, 2 – плотина.

На приплотинных ГЭС (см. рис. 1.17) машинный зал находится за плотиной.

Рис. 1.17 - Приплотинная ГЭС

1 – машинный зал, 2 – плотина.

Деривационные ГЭС используют разницу в уровнях воды в реке, огибающей гору или возвышенность. Река перегораживается плотиной и вода по напорному водоводу (иногда длиной в несколько километров) направляется от верхнего уровня (бьефа) к нижнему и вращает лопасти гидротурбин (см. рис. 1.18).

Рис. 1.18 - Деривационная ГЭС

1 – верхний бьеф, 2 – машинный зал, 3-нижний бьеф.

По способу сооружения плотины подразделяют на три основных типа:

1. Насыпные.

2. Бетонные.

3. Арочные.

Насыпные плотины сооружаются из местных материалов путем засыпки и утромбовки грунта. Так строилась, например, плотина Нурекской ГЭС высотой 300 м.

Бетонные плотины сооружаются целиком из бетона (см. рис. 1.19). Большинство ГЭС Волжского каскада имеют именно такую конструкцию. На широких равнинных реках часть плотины, где расположен машинный зал, выполняют бетонной, а прилегающую к берегам часть делают насыпной.

На высокогорных ГЭС с глубоководными водохранилищами сооружают плотины из железобетона. По форме они напоминают арку, изогнутую в виде дуги в сторону водохранилища и упирающуюся в скалистые берега. Такие плотины намного уже бетонных, имеют большую амплитуду колебаний и поэтому являются более сейсмостойкими (см. рис. 1.20).

Гидротурбины принято подразделять на два класса:

1. Активные.

2. Реактивные.

Рисунок 1.19 - ГЭС с бетонной плотиной

Рисунок 1.20 - ГЭС с плотиной арочного типа (внизу виден машзал)

Активные турбины используют только кинетическую энергию потока, т.е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления. К таким турбинам относятся ковшовые (см. рис. 1.21). Они предназначены для высокогорных ГЭС и работают при напорах воды от 300 до 1800 м.

Турбины, использующие потенциальную энергию водяного потока, т.е. работающие под давлением называют реактивными. На равнинных реках с небольшими напорами воды используют лопастные турбины (см. рис. 1.22, б-д). Избыточное давление по мере протекания воды по лопаткам расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. К этому же классу относятся радиально – осевые турбины, у которых вода при входе на рабочее колесо движется в направлении радиуса турбины (в горизонтальной плоскости), а после рабочего колеса вдоль ее оси (см. рис.5.8, а). Такие турбины применяют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м.

Рисунок 1.21 - Ковшовая турбина.

а – схема турбинной установки; б – рабочее колесо

Рисунок 1.22 - Общий вид рабочих колес реактивных турбин

а – радиально-осевая; б – пропеллерная; в – поворотно-лопастная; г – двухперовая; д – диагональная

В схеме выдачи мощности на ГЭС используют блочный принцип построения. При большом количестве агрегатов в укрупненные блоки включают по 4 – 8, а иногда и более генераторов. Это позволяет достичь существенной экономии за счет уменьшения количества силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей.

Особенности ГЭС:

1. Сооружаются в местах, где есть гидроресурсы и условия для строительства водохранилища и платины, что обычно не совпадает с местом расположения нагрузки.

2. Выработанную электроэнергию выдают в систему на повышенном напряжении.

3. Высокоманевренны, пуск и остановка агрегата занимает несколько минут.

4. Работают на возобновляемом источнике энергии – воде, не загрязняют атмосферу.

5. Имеют КПД порядка 85%.