4.4. Схемы использования гидравлической энергии

В большинстве случаев ГЭС представляют собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие нужды электроэнергетики и других отраслей народного хозяйства: мелиорации земель, водного транспорта, водоснабжения, рыбного хозяйства и пр.

Наиболее эффективное использование энергии водотока для получения электрической энергии обеспечивается при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. Для использования падения уровней рек, распределенных по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада, т.е. регулированию водного стока, что может быть осуществлено различными способами.

Основные схемы использования водотока:

1) плотинная, при которой напор создается плотиной;

2) деривационная, где напор создается преимущественно с помощью деривации (отведения, отклонения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;

3) комбинированная, в которой напор создается плотиной и деривацией.

Плотинная схема (рис. 4.1) 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 ГЭС.

Рис. 4.1. Схема создания напора на плотинной ГЭС

ГЭС с русловым зданием характеризуется тем, что ее здание входит в состав водонапорных 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 H, поэтому ГЭС с русловыми зданиями строятся при сравнительно небольших напорах – до 40 м (каскады Камских, Волжских ГЭС и др.).

ГЭС с приплотинным зданием характеризуется тем, что ее здание располагается за плотиной (рис. 4.2) и не воспринимает давления воды. На крупных современных гидроэлектростанциях такого типа напор доходит до 300 м (Красноярская ГЭС).

Рис. 4.2. Схема приплотинной ГЭС

Деривационная схема (рис. 4.3) 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 (см. рис. 4.3). На рис. 4.1, 4.3 введены обозначения: 1–1 – сечение верхнего бьефа; 2–2 – сечение нижнего бьефа.

Рис. 4.3. Схемы создания напора на деривационной ГЭС

При безнапорной деривации отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом. Для забора воды в деривационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает через водоприемник. Плотина, водоприемник, 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.

Вода из верхнего бьефа (ВБ) по напорному водоводу подводится к турбине и из нее выпускается в нижний бьеф (НБ). В турбине энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения вала, от которого приводится во вращение ротор электрического генератора (гидрогенератора), где механическая энергия преобразуется в электрическую. Электрическая энергия по линиям высокого напряжения передается в районы потребления, иногда на расстоянии 1000 км и более. Турбина, соединенная с генератором, называется агрегатом ГЭС, или гидроагрегатом. Характерными его параметрами являются напор (он определяется в основном разностью отметок ВБ и НБ) и мощность. Напоры на различных ГЭС различаются значительно – от нескольких метров (низконапорные ГЭС) до 700–1000 м и более (высоконапорные) Мощность гидроагрегата может составлять несколько сотен киловатт (малые агрегаты, малые ГЭС) и достигать 600–700 тыс. кВт и даже более (крупные, сверхмощные гидроагрегаты).

На рис. 4.3, б показана ГЭС с напорной деривацией в виде напорного туннеля. В ряде случаев для защиты деривационных напорных водоводов от перегрузок избыточным внутренним давлением может понадобиться строительство специального сооружения – уравнительного резервуара.

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 водовода.

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.

На рис. 4.4, а показана схема приплотинной ГАЭС, позволяющая реверсировать водоток путем перекачки воды из нижнего бьефа в верхний бьеф.

По аналогии с ГЭС, работающими в активном режиме, ГАЭС подразделяются на станции приплотинного типа и станции деривационного типа. Первые используют перепад уровней, создаваемый плотиной, вторые – перепад между двумя бассейнами, соединенными наземными или туннельными водоводами. В условиях ГАЭС приплотинного типа могут быть эффективными, как правило, только при совместной установке обратимых гидроагрегатов с агрегатами прямого действия, т.е. в виде ГЭС–ГАЭС, или при использовании для насосного аккумулирования водохранилищ, созданных для других народнохозяйственных задач.

Значительный интерес представляет использование энергии приливов и отливов на побережьях морей и океанов. Схема создания напора на приливной гидроэлектростанции (ПЭС) приведена на рис. 4.4, б.

Рис. 4.4. Схемы создания напора на ГАЭС и ПЭС

Амплитуда колебания уровня воды, связанная с положением луны на небосклоне, зависит от географической широты и характера берега континента. Так, около Магелланового пролива зарегистрирована амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки – 21 м. Широкое применение ПЭС нашли в Японии, где их число достигло 43.

Энергетические ресурсы морских приливов и отливов на Барцевом и Белом морях, возможные к использованию в России, оцениваются примерно в 40 млрд. кВ∙ч, но прежде чем использовать их, необходимо преодолеть трудности, связанные со строительством ПЭС (высокая стоимость и пульсирующий характер выдачи мощности). В закрытых морях (Каспийском, Черном) эффекты приливов и отливов практически незаметны.