Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) выполняют функции насосной станции и ГЭС, требуют постройки двух водохранилищ на разных уровнях и предназначены для снятия пиковых нагрузок. В часы пониженных нагрузок энергосистемы ГАЭС потребляет электрическую энергию и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний. При пиках нагрузки вода из верхнего бассейна пропускается через турбины в нижний бассейн; в это время ГАЭС работает как ГЭС – вырабатывает и отдает электрическую энергию в систему. Имеются ГАЭС с суточным, недельным и сезонным аккумулированием энергии.

В России действует Загорская ГАЭС под Москвой мощностью 1200 МВт. Планируется строительство Владимирской ГАЭС на р.Клязьма (1200 МВт), Ленинградской ГАЭС на р. Шапша (2000 МВт), Тверской ГАЭС на р.Тудовка (2000 МВт).

Приливные электростанции

Морские приливные электростанции (ПЭС) используют приливные колебания уровня моря, которые достигают 8÷10 м. Наибольшая величина прилива 19,6 м наблюдается в заливе Фаиди (Канада). Залив моря перегораживается плотиной, и во время прилива в таком искусственном водохранилище "запирается" вода. Во время отлива в море создается перепад, достаточный для вращения турбин ПЭС.

Более 30 лет успешно эксплуатируются во Франции две ПЭС: в устье реки Ранс (240 МВт) и в Сен Мало (9 МВт); в России – экспериментальная Кислогубская. В России выполнены проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС (87 ГВт) на Охотском море. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС (11,4 ГВт).

Основные характеристики гидроэнергетических установок

Напор

Геометрический или статический напор равен разности отметок уровней верхнего ▼ ВБ и нижнего ▼ НБ бьефов. Применительно к дан­ным рис. 3.20 статический напор:

Н_о=▼ВБ-▼НБ=121,38-102,03=19,35м.

В водноэнергетических расчетах учитывают потери напора. Напор ГЭС:

Н≈Н_о-Δh=▼ВБ -▼НБ - Δh,

где Δh – потери напора при движении воды от водозабора до турбинной камеры (составляют 2÷5 % от напора Н_о).

В расчетах, требующих высокой точности, учитывается также кинетическая энергия потока.

Полный напор определяется по разности удельных энергий потока воды во входном и конечном сечении. Полный напор (брутто) H_G называется напором гидротурбинного блока. Напор H_G в метрах численно равен разности отнесенных к единице веса удельных энергий потока в рассматриваемых сечениях:

.

Удельная энергия потока воды Е, Дж/Н, в каждом сечении:

,

где Z– высота расположения центра тяжести данного живого сечения потока над плоскостью, м; ρ – избыточное давление, Па; γ – вес единицы объема воды, Н/м²; ρ/γ – пьезометрическая высота, равная глубине погружений центра тя­жести данного живого сечения под уровень воды, м; v – средняя скорость течения воды в данном живом сечении, м/с; α - коэффициент, равный отношению кинетической энергии потока при действительном распределении скорости по сечению к кинетической энергии потока, подсчитанной по средней скорости v.

При отнесении удельной энергии к единице веса воды: Z – удельная потенциальная энергия положения; ρ/γ – удельная потенциальная энергия давления и αν²/2g – удельная кинетическая энергия.

На построенных гидроэнергетических установках напор составляет от 2 до 1767 м. Наибольший напор турбин (1767 м) и нacocoв (1070 м) имеет ГЭУ Рейссек (Австрия).

Расход воды

Расход воды Q, м³/c, используемый ГЭС для выработки ЭЭ, зависит от притока воды к верхнему бьефу ГЭС, от наличия запасов воды в водохранилище и от по­требности энергетической системы в данный момент в ЭЭ. Максимальный расход, используемый ГЭС, равен пропускной способности всех ее турбин при расчетном напоре. Максимальный расход воды, перекачиваемой насосной станцией или ГАЭС, равен подаче всех ее насосов при минимальном напоре и работе электрических двигателей с полной мощностью. Pacход воды насосной станцией и ГАЭС в данный момент времени определяется потребностью в воде и условиями электроснабжения.

Мощность, энергия

Мощностью Р называется работа, производимая в единицу времени. Если напор составляет Н, м, расход воды равен Q, м³/с, то работа, которую может совершить вода в 1 секунду, т. е. потенциальная мощ­ность водотока в кВт:

Р_o = pgQH = γQH = 9,81QH,

где р – плотность воды, кг/м³; g – ускорение свободного падения тела, м/с².

Мощность на валу турбины:

Р_T=Р_oη_T или Р_T=9,81 QHη_T , (3.47)

где η_T – КПД турбины.

Значение КПД турбины зависит от конструкции, размеров и изменяется при изменении нагрузки. Для малых турбин (диаметр рабочего колеса около 1 м) КПД η_T ≤0,91; для крупных турбин (9÷10 м) η_T = 0,95–0,96. Электрическая мощность агрегата Р_a на выводах генератора меньше мощности турбины на величину потерь в генераторе:

Р_a=Р_Tη_ген=9,81 QHη_a , (3.48)

где η_ген – КПД генератора; η_а = η_Тη_ген – КПД агрегата.

Для генераторов мощностью 5 МВт η_ген=0,95÷0,96. Для генераторов мощностью 500 МВт и более η_ген ≥ 0,98. Обозначив а = 9,81η_a, получим формулу:

Р_a =aQH . (3.49)

Учитывая снижение КПД турбины и генератора при отклонении нагрузки от оптимальной, принимают: для сверхмощных агрегатов a=8,8–9,1, для крупных агрегатов a=8,4–8,7 и для небольших агрегатов a=8,0–8,2. Для насосных агрегатов и при работе обратимой гидромашины (насосо-турбины) в насосном режиме мощность, потребляемая электродвигателем:

,

где Р_H– напор насоса; η_Н – КПД насоса; η_Д – КПД двигателя. Наибольшее значение КПД насосо-турбин при работе в насосном режиме составляет 0,925÷0,93, а КПД сверхмощных электродвигателей превосходит 0,98. Для насосных агрегатов средней мощности η_Н = 0,89–0,90, η_Д = 0,95–0,97.

Объем воды V, м³ при напоре Н, м дает количество энергии:

W = 9,81 VHη_a [кДж] или [кВт·ч]. (3.50)

Если V – объем годового стока реки, используемого ГЭС, а H – ее средний напор, то W дает годовую выработку энергии ГЭС. Если V – объем воды, запасенной в водохранилище, который может быть использован при напоре Н, то W выражает запас энергии воды водохранилища или энергетический эквивалент этого объема. Если V–го­довой объем водоподачи насосной станции, то определяет годовое потребление насосной станции в кВт·ч, без учета расхода энергии на собственные нужды.

Гидростанция при напоре Н и КПД η_а расходует на 1 кВт·ч выработанной энергии объем воды q в м³, т. е.

. (3..51)

Насосная станция на 1 м³ воды расходует энергию в кВт·ч:

. (3.52)