Плотинные гидроэлектростанции

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называемая гидравликой; она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение — створ, определяется расходом воды Q, 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

В двигателях 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 η. Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P=9,81QHη

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рисунок 1а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рисунок 1б).

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется дина­мическое давление воды, и реактивной, если использует­ся статическое давление при реактивном эффекте.

В ковшовой активной турбине (рисунок 2а) 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 (рисунок 2б). 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.

Рисунок 1 – Схема создания напора

а-с помощью плотины; б-деривационного канала

1-канал; 2-напорный бассейн; 3-турбинные водоводы; 4-здание ГЭС; 5-русло реки; 6-плотина.

Рисунок 2 – Схема работы активной турбины

а-схема турбинной установки; б-рабочее колесо

1-верхний бьеф; 2-трубопровод; 3-сопло; 4-рабочее колесо; 5-кожух; 6-отклонитель; 7-лопасти (ковши)

Внутри сопла расположена регулирующая игла (рисунок 2), перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

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.

Рисунок 3 – Общий вид рабочих колес реактивных ткрбин

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

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 рисунке 3.

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 раднально-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 свойственна также диатональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Жигулевская, Волгоградская, Каховская и Кременчугская ГЭС и др.

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 коэффициента быстроходности, а при небольших напорах - с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от не­скольких киловатт до 500 МВт, а частота вращения изменяется от 16% до 1500 мин^-1.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. КПД таких агрегатов выше (95—96%) благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания. Такими агрегатами оборудованы, например, Киевская и Каневская ГЭС.

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 ГЭС с плотинной схемой концентрации напора разделяются на два типа: русловые и приплотинные. При напоре до 30 м здание станции, как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки (рисунок 4а). Такие ГЭС называются русловыми. Так как с ростом напора увеличивается объем строительных работ по сооружению зданий русловых гидроэлектростанций, то при напорах, превышающих 25—30 м, здание станции помещается за плотиной (рисунок 4б). Такие ГЭС называются плотинными. На них весь напор воспринимается плотиной.

Рисунок 4 – Поперечные разрезы гидроэлектростанций

а-русловой станции:

1-затвор водосбора; 2-паз ремонтного затвора; 3-основной затвор турбинного водовода; 4-генератор; 5-трансформатор; 6-аварийный затвор; 7-турбина; ГВБ и ГНБ – горизонты верхнего и нижнего бьефа

б-плотинной станции:

1-провода на ОРУ; 2-плоский затвор; 3-ммашинный зал; 4-генератор; 5-спиральная камера; 6-отсасывающая труба; 7-турбина радиально-осевого типа; 8-турбинный водовод; 9-глубинный водоприемник; 10-решетка; 11-подъемный механизм щитов.

В настоящее время на равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например на Братской ГЭС, построенной на Ангаре, и на Асуанской ГЭС, построенной в Египте.

На рисунке 5 показана Жигулевская ГЭС, а на рисунке 6 —Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисей, у которой высота плотины составляет 240 м и вода по водоводам поступает к 10 турбинам, вращающим электрические генераторы мощностью по 640 МВт каждый.

Рисунок – 5 Жигулевская ГЭС (руслового типа)

а-разрез, 1-верхний бьеф; 2-генераторы; 3-нижний бьеф; б- сравнение ГЭС ( объем 4.5 млн. м³) с Исаакиевским собором в Санкт-Петербурге (310 тыс. м³) и Московским государственным университетом (объем 2.6 млн. м³)

Рисунок – 6 Общий вид Саяно-Шушенской ГЭС (приплотинного типа )