Гидроэлектрические станции

5.1. Общие положения

Гидроэлектрические станции — это высокоэффективные источники электроэнергии. В большинстве случаев гидроэлектростанции представляют собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие нужды электроэнергетики и других отраслей народного хозяйства: мелиорации земель, водного транспорта, водоснабжения, рыбного хозяйства и пр.

Гидроэлектрическая станция — это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия водотока преобразуется в электрическую энергию. Она состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание сосредоточенного напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую энергию.

В зависимости от напора ГЭС подразделяют: на высоконапорные (более 80 м), средненапорные (от 25 до 80 м) и низконанорные (до 25 м).

Принято называть совокупность гидротехнических сооружений, энергетическое и механическое оборудование гидроэнергетической установкой (ГЭУ).

Различают следующие основные типы гидроэнергетических установок:

гидроэлектростанции (ГЭС);

насосные станции (НС);

гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

приливные электростанции (ПЭС).

Как уже отмечалось, ГЭС — это предприятие, на котором энергия водотока преобразуется в электрическую.

Основными сооружениями ГЭС на равнинной реке являются плотина, создающая водохранилище и сосредоточенный перепад уровней, т.е. напор, и здание ГЭС, в котором размещаются гидротурбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование. В случае необходимости строятся водосбросные и судоходные сооружения, рыбопропускные сооружения и т. п.

На рис. 5.1 показана ГЭС приплотинного типа.

Рис. 5.1. ГЭС приплотинного типа

Вода под действием силы тяжести по водоводам движется из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором электрического генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидрогенератор. В турбине энергия водотока преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую. Возможно создание на реках каскадов ГЭС. В России построены и успешно эксплуатируются Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС.

Гидроэлектростанции как источник электрической энергии имеют существенные преимущества перед тепловыми и атомными электростанциями. Они лучше приспособлены для автоматизации и требуют меньшего количества эксплуатационного персонала. Показательны следующие средние значения удельной численности персонала станций различного вида на 1 млн кВт установленной мощности: для ГЭС — 300, для ТЭС - 1400, для АЭС - 1800 чел. Но это только на самой станции, а еще нужно добавить трудозатраты на добычу и транспортирование топлива, в итоге требуемая удельная численность персонала на 1 млн кВт для ТЭС (АЭС) в среднем составляет 2500 чел.

В России построены и эксплуатируются крупные ГЭС: каскад Волжских ГЭС мощностью 2530 МВт и менее, Братская ГЭС —4500 Мвт, Красноярская ГЭС — 6000 МВт, Саяно-Шушенская ГЭС - 6400 МВт и др.

В настоящее время в мире и России большой интерес вызывает возможность создания малых ГЭС мощностью до 30 МВт. Они могут создаваться в короткие сроки с использованием унифицированных гидроагрегатов и строительных конструкций с высоким уровнем автоматизации систем управления. Экономическая эффективность их использования существенно возрастает при комплексном использовании малых водохранилищ (восстановления объема водохранилища, рыбоводство, водозаборы для систем орошения и водоснабжения и т.п.).

Насосная станцияпредназначена для перекачки воды с низких отметок на высокие и транспортирования воды в удаленные пункты. На ней устанавливаются насосные агрегаты, состоящие из насоса и двигателя. Насосная станция является потребителем электроэнергии.

Насосные станции используются для водоснабжения тепловых и атомных станций, коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, а также в ирригационных системах, в судоходных каналах, пересекающих водоразделы и т.п.

Гидроаккумулирующая электростанцияпредназначена для перераспределения во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция. Она за счет потребляемой энергии перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний и создает запасы гидроэнергии за счет повышения уровня верхнего бьефа.

В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как гидроэлектростанция. Вода из верхнего бьефа пропускается через турбины в нижний бьеф, и ГАЭС вырабатывает и выдает электроэнергию в энергосистему. В процессе работы ГАЭС потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую энергию в период пика нагрузки (за счет разности тарифов). Заполняя провалы нагрузки в энергосистеме, она позволяет работать агрегатам атомных и тепловых станций в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт • ч электроэнергии в энергосистеме.

В настоящее время в России работает Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт, ведется проектирование других ГАЭС.

Схема создания напора ГАЭС показана на рис. 5.2, а.

Приливные электростанциисооружаются на побережье морей и океанов со значительными приливно-отливными колебаниями уровня воды. Для этого естественный залив отделяется от моря плотиной и зданием ПЭС. При приливе уровень моря будет выше уровня воды в отделенном от него заливе, а при отливе, наоборот, ниже, чем уровень воды в заливе (рис. 5.2, б). Перепады этих

Рис. 5.2. Схемы создания напора: а - на ГАЭС; б - на ПЭС; в - на плотинной ГЭС; г ~ на деривационной ГЭС; д - на комбинированной ГЭС; 1-1 - сечение верхнего бьефа; 2-Г-7 сечение нижнего бьефа

уровней создают напор, который используется при работе гидротурбин ПЭС.

В некоторых морских заливах приливы достигают 10... 12 м, а наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Канада) — до 19,6 м.

Технические ресурсы приливной энергии России оцениваются в 200...250 млрд кВт-ч в год и в основном сосредоточены у побережья Охотского, Берингова и Белого морей.

5.2. Энергия речного водотока

Работа ГЭС в значительной мере основывается на законах науки, называемой гидравликой, которая включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Известно, что вода покрывает почти три четверти нашей планеты. Значительное количество воды испаряется и выпадает в виде осадков на поверхность Земли, в том числе и на отдельные участки суши, расположенные над уровнем океана. Спускаясь с более возвышенных участков на более низкие в виде больших и малых водотоков, эти постоянно возобновляемые природой массы воды теряют энергию, которая может быть эффективно использована. В естественном состоянии эта энергия расходуется на преодоление сил трения при взаимодействии потока с руслом, на перемещение наносов, на преодоление препятствий в руслах (пороги, перекаты и др.).

Территория, с которой стекает вода в реку, называется ^водосборным бассейном данной реки. Линия, приходящаяся по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем.

К водосборному бассейну моря относят водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.

Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м³/с или л/с).

Хронологический график изменения расходов воды называется гидрографом. Его строят по результатам регулярных измерений расходов воды в реке.

Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени /₀ до некоторого конечного /_к, называется стоком W.

Величина стока реки за сутки, месяц или любой другой промежуток времени, в течение которого расход воды Q, м³/с_? сохраняет постоянное значение, определяется по формуле

где t — число секунд в данном промежутке времени.

При различном расходе воды в течение всего рассматриваемого интервала времени от t₀ до t_K (по гидрографу) объем стока определяется по формуле

Отметим, что среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³. В табл. 5.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.

Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.

Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как в течение года, так и по годам.

Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства и прежде всего для энергетики. Различают многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.

Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.

Таблица 5.1. Данные о речном стоке отдельных стран мира

Страна	Площадь территории, млн км2	Суммарный средний многолетний объем стока, км3/год	Удельная водность в среднем за год с 1 км2, л/с
Россия	17,075		7,4
Бразилия	8,51		11,9
США	9,36		9,8
Китай	9,90		8,3
Канада	9,98		24,0
Норвегия	0,32		35,8
Франция	0,551		19,7
Польша	0,312		5,9 1

Численное значение энергии водотока определяют следующим образом. Водоток разбивают на ряд участков, начиная от истока до устья, и определяют полную энергию потока жидкости в начальном Э_х и конечном Э₂ створах участка, используя известное уравнение Бернулли. Теряемая энергия на этом участке будет равна разности Эх и Э₂:

где р — плотность жидкости, кг/и³; g —• ускорение свободного падения, м/с²; W— объем стока воды, м³; z_b z₂ — геометрические высоты над уровнем моря или над произвольно выбранной плоскостью сравнения, м; р_и р₂ — давление, Па; а_ь а₂ — коэффициенты кинетической энергии, представляющие собой отношение действительной кинетической энергии к ее величине, полученной по средней скорости; v_b v₂ — средние скорости, м/с.

Каждый член выражения, заключенный в скобки, представляет собой удельную энергию массы протекающей жидкости в единицах напора, м.

Разделив выражение (5.1) на время /, получим среднюю мощность водотока на данном участке

Поскольку в естественных условиях разность кинетических энергий незначительна, а давление одинаково, выражения (5.1) и (5.2) принимают следующий вид:

где Н_уч = z_x~- z₂ — разность уровней (падение уровней) свободной поверхности водотока в пределах рассматриваемого участка, м.

Для водотоков с чистой пресной водой р = 1000 кг/м³ и при g = 9,81 м/с² формула (5.4) приводится к удобному виду, кВт:

Формулы (5.3.) и (5.5) выражают теоретическую (потенциальную) энергию и мощность на рассматриваемом участке.

Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водотока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки.

Гидроэнергетические ресурсы подразделяются на теоретические (потенциальные), технические и экономические.

Теоретические гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле

где Э — энергия, кВт • ч; п — число участков; Q_f — средний годовой расход реки на г-м рассматриваемом участке, м³/с; И_х — падение уровня реки на этом участке, м.

Они подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании энергии водотока в электрическую.

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35 -10³ млрд кВт-ч в год, потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд кВт-ч.

Технические гидроэнергетические ресурсы — всегда меньше теоретических, так как они учитывают потери:

· гидравлических напоров в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;

· воды на испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.п.;

· энергии в различном гидроэнергетическом оборудовании.

Технические ресурсы характеризуют возможность получения энергии на современном этапе.

Технические гидроэнергетические ресурсы России составляют 1670 млрд кВт-ч в год, в том числе по малым ГЭС — 382 млрд кВт-ч в год.

Выработка электроэнергии на действующих ГЭС России в 2002 г. составила 170,4 млрд кВтч, в том числе на малых ГЭС — 2,2 млрд кВт-ч.

Экономические гидроэнергетические ресурсы — это часть технических ресурсов, которую по современным представлениям целесообразно использовать в обозримой перспективе. Они существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п.

5.3 Схемы создания напора и основное оборудование ГЭС

Способы использования энергии водотока. Наиболее эффективное использование энергии водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. Для использования падения уровней рек, распределенных по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада, что может быть осуществлено различными способами.

Различают три основные схемы: плотинная, при которой напор создается плотиной; деривационная, где напор создается преимущественно с помощью деривации (отведения, отклонения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода; комбинированная, в которой напор создается плотиной и деривацией.

Плотинная схема (рис. 5.2, в)предусматривает создание подпора уровня водотока путем сооружения плотины. Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

В гидроузлах, осуществленных по плотинной схеме создания напора, различают русловые и приплотинные здания станций.

Гидроэлектростанция с русловым зданием характеризуется тем, что ее здание входит в состав водоподпорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Конструкция здания в этом случае должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. Размеры здания, в частности его высота, определяются напором, поэтому ГЭС с русловыми зданиями строятся при сравнительно небольших напорах —"до 40 м (каскад Волжских ГЭС).

Гидроэлектростанция с приплотинным зданием характеризуется тем, что ее здание располагается за плотиной (см. рис. 5.1). и не воспринимает давление воды. На крупных современных гидроэлектростанциях такого типа напор доходит до 300 м (Красноярская ГЭС). Деривационная схема (рис. 5.2, г) позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке; эта разность уровней и является напором гидроэлектростанции. В зависимости от типа искусственных водоводов (деривации) различают ГЭС с напорной и с безнапорной деривацией. При безнапорной деривации отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом (рис. 5.3, а). Для забора воды в деривационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает через водоприемник. Плотина, водоприемник, а в ряде случаев и другие сооружения (водосброс, отстойник и др.) образуют так называемый головной узел деривационной гидроэлектростанции. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам подается к турбинам в здание станции. Прошедшая через турбины вода отводится обратно в русло реки по отводящему каналу. Напорный бассейн, трубопроводы, здание станции и другие сооружения, примыкающие к ним, образуют станционный узел, который в зависимости от длины деривации может находиться на значительном удалении от головного узла.

На рис. 5.3, б показана ГЭС с напорной деривацией в виде напорного туннеля. В ряде случаев для защиты деривационных напорных водоводов от перегрузок избыточным внутренним давлением может потребоваться строительство специального сооружения — уравнительного резервуара.

Создание или увеличение сосредоточенного перепада уровней воды можно осуществить также посредством отводящего дерива-

чительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада, что может быть осуществлено различными способами.

Различают три основные схемы: плотинная, при которой напор создается плотиной; деривационная, где напор создается преимущественно с помощью деривации (отведения, отклонения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;

комбинированная, в которой напор создается плотиной и деривацией.

Плотинная схема (рис. 5.2, в) предусматривает создание подпора уровня водотока путем сооружения плотины. Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

В гидроузлах, осуществленных по плотинной схеме создания напора, различают русловые и приплотинные здания станций.

Гидроэлектростанция с русловым зданием характеризуется тем, что ее здание входит в состав водоподпорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Конструкция здания в этом случае должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. Размеры здания, в частности его высота, определяются напором, поэтому ГЭС с русловыми зданиями строятся при сравнительно небольших напорах —"до 40 м (каскад Волжских ГЭС).

Гидроэлектростанция с приплотинным зданием характеризуется тем, что ее здание располагается за плотиной (см. рис. 5.1). и -не воспринимает давление воды. На крупных современных гидроэлектростанциях такого типа напор доходит до 300 м (Красноярская ГЭС). Деривационная схема (рис. 5.2, г) позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке; эта разность уровней и является напором гидроэлектростанции. В зависимости от типа искусственных водоводов (деривации) различают ГЭС с напорной и с безнапорной деривацией. При безнапорной деривации отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом (рис. 5.3, а). Для забора воды в деривационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает через водоприемник. Плотина, водоприемник, а в ряде случаев и другие сооружения (водосброс, отстойник и др.) образуют так называемый головной узел деривационной гидроэлектростанции. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам подается к турбинам в здание станции. Прошедшая через турбины вода отводится обратно в русло реки по отводящему каналу. Напорный бассейн, трубопроводы, здание станции и другие сооружения, примыкающие к ним, образуют станционный узел, который в зависимости от длины деривации может находиться на значительном удалении от головного узла.

На рис. 5.3, б показана ГЭС с напорной деривацией в виде напорного туннеля. В ряде случаев для защиты деривационных напорных водоводов от перегрузок избыточным внутренним давлением может потребоваться строительство специального сооружения — уравнительного резервуара.

Рис. 5.3. Деривационная ГЭС: а — с безнапорной деривацией; б — с напорной деривацией

Рис. 5.3. Деривационная ГЭС: а — с безнапорной деривацией; б — с напорной деривацией

Создание или увеличение сосредоточенного перепада уровней воды можно осуществить также посредством отводящего деривационного водовода, продольный уклон которого меньше уклона естественного русла. В этом случае здание ГЭС располагается в глубокой выемке или под землей в удалении от нижнего сечения используемого участка водотока.

Сооружение деривационных ГЭС оказывается целесообразным в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малых расходах воды; тогда при небольшой протяженности и малой площади сечения деривационного водовода можно получить большой напор (1000 м и более) и соответственно большую мощность.

Комбинированная схема (рис. 5.2, д)предусматривает создание напора посредством использования напора как плотины, так и деривационных сооружений.

На всех гидроэлектростанциях, осуществленных по любой из указанных выше схем, механическая энергия движущихся масс воды преобразуется в электрическую с помощью гидротурбин и гидрогенераторов, размещенных вместе с многочисленным вспомогательным оборудованием в зданиях станции.

Напоры гидроэлектрических станций.Они определяются в соответствии с типами ГЭС. Разность отметок верхнего и нижнего бьефов называется статическим напором #_ст, м:

Разность удельных энергий потока в сечении 1— 1 верхнего бьефа до входа в энергетические водоводы и в сечении 2— 2, расположенном в нижнем бьефе за отсасывающими трубами гидротурбин, называется напором брутто Я_бр, м (рис. 5.4, а, б):

Рис. 5.4. Схемы определения напоров ГЭС: а — русловая ГЭС; б — деривационная ГЭС; в — ГЭС с ковшовыми турбинами

Разность напора брутто и гидравлических потерь в подводящем и отводящем водоводах h_noT (по длине и местные) называется напором нетто Я_н, м:

Поскольку разность кинетических энергий обычно невелика, в большинстве случаев для практических расчетов напор, используемый турбинами ГЭС, определяется по формуле, м,

Потери напора h_noT обычно составляют 2...5 % Я_ст.

При использовании на ГЭС активных ковшовых гидротурбин с выпуском воды из сопла в атмосферу имеется еще дополнительная потеря напора h_CTp (рис. 5.4, в), равная разности отметок оси струи и уровня нижнего бьефа. Напор турбин в этом случае определяется выражением

Гидротурбины.Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и генераторы.

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины подразделяются на два класса: активные и реактивные. Турбина называется активной, если используется только кинетическая энергия потока, и реактивной, если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте.

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые.

В ковшовой активной турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке — сопле — полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти 6 (рис. 5.5, а, б). Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию вращения колеса турбины.

Если скорость движения воды, вытекающей из турбины, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механическую энергию турбины.

Внутри сопла расположена регулировочная игла 7, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

Рис. 5.5. Схема работы и рабочие колеса гидротурбин: а — схема работы ковшовой турбины: 1 — бассейн верхнего уровня (бьефа); 2 — турбинный трубопровод; 3 — сопло; 4 — рабочее колесо; 5 — кожух; 6 — лопасти (ковши); 7— регулировочная игла; б— ковшовое рабочее колесо; в — радиально-осевое; г — пропеллерное; д ~ поворотно-лопастное; е — двухперовое; ж — диагональное

В реактивной гидравлической турбине на лопастях рабочего колеса преобразуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механическую энергию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо турбины, обладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию рабочего колеса турбины.

За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия центробежных сил превращается в механическую энергию турбины. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса. Различные конструкции рабочих колес реактивных турбин показаны на рис. 5.5, в—ж.

У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины используют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. В настоящее время созданы уникальные радиально-осевые турбины мощностью 700 МВт.

Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки КПД резко уменьшается.

У поворотно-лопастных гидротурбин в отличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы для поддержания высокого значения КПД.

Двухперовые турбины имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Широкое применение их ограничено конструктивными сложностями. Сложная конструкция свойственная также диагональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской и других ГЭС. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская и другие ГЭС.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициенте быстроходности, а при небольших напорах -^ с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразь природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 М$т\ а частота вращения изменяется от 16²/з Д° 1500 мин"¹.

Рис. 5.6. Саяно-Шушенская ГЭС

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсулынде), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. У таких агрегатов КПД больше 95 % благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания.

При сооружении ГЭС обычно решают комплекс народнохозяйственных задач, в который помимо выработки электрической энергии входит регулирование стока воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых массивов, развитие энергоемких производств, использующих местное сырье, и т.д.

На равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например Братская ГЭС или Асуанская ГЭС (Египет).

На рис. 5.6 показана Саяно-Шушенская ГЭС на реке Енисей, У которой высота плотины составляет 240 м и вода, по водоводам поступает к 10 турбинам, вращающим электрические генераторы мощностью по 640 МВт каждый.

5.4. Энергия и мощность ГЭС

Энергия, используемая ГЭС, может быть определена по формуле (5.3) путем замены Н^ на нагюр Я, подсчитываемый по формуле (5.8) или (5.9). Однако на ГЭС выработку энергии и мощность принято измерять на выводах гидрогенератора, поэтому энергия и мощность ГЭС будет определятрся с учетом коэффициентов полезного действия гидротурбины и электрогенератора.

Мощность на валу гидротурбины, кВт,

где Q_T— расход воды через гидротурбину, м³/с; Я— напор турбины с учетом потерь, определяемый до формуле (5.8) или (5.9); ц_т — КПД турбины (у современных крупных гидротурбин ri_T = = 0,93...0,96):

Электрическая мощность гидрогенератора

где ц_гш — КПД гидрогенератора, обычно ц_тш = 0,97.

Регулирование мощности агрегата ГЭС производится изменением расхода воды, проходящей через гидротурбины. Мощность ГЭС в /-й момент времени

где Q_Th H_Th y\_Ti — соответственно расход, напор и КПД ГЭС в /-й момент времени.

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

В качестве расчетного периода Г рассматриваются час, сутки, неделя, месяц, год.

Годовая выработка электроэнергий ГЭС не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от объема стока, поступившего в водохранилище, степени его регулирования и условий эксплуатации ГЭС. При годичном регулировании годовая выработка электроэнергии ГЭС, как правило, существенно колеблется в основном за счет энергоотдачи в паводковый период.

При многолетнем регулировании неравномерность выработки электроэнергии по годам бывает незначительной.

Очевидно, что электрическая мощность, подведенная к потребителю, меньше мощности, производимой гидроэлектростанцией, N_T3C. Сумму всех потерь при передаче электрической мощности от ГЭС к потребителю и при многократных преобразованиях ее в повышающих и понижающих трансформаторах можно оценить с помощью КПД системы передачи и преобразований г|_пер. Обычно Tinep = 0,92...0,93.

Установленная мощность ГЭС JV_ycT определяется как сумма номинальных (паспортных) мощностей имеющихся на ней генераторов. Она соответствует максимальной мощности, которую может развить гидроэлектростанция.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типы ГЭС.

2. Какие параметры характеризуют водоток?

3. Как определяются напоры нетто и брутто гидроэлектрических станций?

4. Какие виды гидротурбин используются на ГЭС?

5. Как определяются мощность и энергия гидроэлектростанции за какой-нибудь период времени?