5. Гидроэлектростанции.

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. 5.1).

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

Рис. 5.1.

1 – машинный зал, 2 – плотина.

На приплотинных ГЭС (см. рис. 5.2) машинный зал находится за плотиной.

Рис. 5.2.

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. 5.3).

Рис. 5.3.

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. 5.4). 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. 5.5).

Основное оборудование ГЭС показано на рис. 5.6.

На практике принято гидротурбины подразделять на два класса:

1. Активные.

2. Реактивные.

Рис. 5.4. ГЭС с бетонной плотиной

Рис. 5.5. 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. 5.7). 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. 5.8, 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.

Рис. 5.6. Здание приплотинной ГЭС.

1 – машинный зал; 2 – генератор; 3 – спиральная камера; 4 – отсасывающая труба; 5 – водовод; 6 – водоприемник; 7 – решетка;

8 – плоский затвор; 9 – подъемный механизм затвора; 10 – ВЛ на подстанцию

Рис. 17. Ковшовая турбина.

а – схема турбинной установки; б – рабочее колесо

Рис. 18. Общий вид рабочих колес реактивных турбин.

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

Гидрогенераторы бывают горизонтального и вертикального исполнения.

Горизонтальные гидрогенераторы предназначены для низконапорных ГЭС и в России не нашли широкого распространения. У таких машин вал располагается в горизонтальной плоскости, а сам генератор находится внутри капсулы, обтекаемой водой. Два наиболее крупных генератора подобной конструкции мощностью 40 МВА установлены на Саратовской ГЭС.

Вертикальные генераторы различают в зависимости от расположения подпятника. Подпятником называют подшипник скольжения, с помощью которого вес вращающихся частей (турбины, вала и генератора) передается через крестовину на опорные конструкции машинного зала ГЭС. В зависимости от расположения подпятника различают гидрогенераторы подвесного (подпятник в верху, а генератор подвешен на нем) и зонтичного (подпятник в низу) типа (см. рис. 5.9).

Особенности ГЭС:

1. Сооружаются в местах, где есть гидроресурсы и условия для строительства водохранилища и плотины, 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%.

Рис. 5.9. Принципиальные схемы конструкции гидрогенераторов:

а – подвесной тип; б – зонтичный тип;

1 – возбудитель; 2 – верхний направляющий подшипник; 3 – подпятник; 4 – верхняя крестовина; 5 – ротор; 6 – нижний направляющий подшипник; 7 – нижняя крестовина

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.

В энергетике России наиболее крупные ГЭС сооружены в Сибири: Усть–Илимская (3500 МВт), Братская (4100 МВт), Красноярская (6000 МВт).

На самой мощной Саяно–Шушенской ГЭС работает 10 агрегатов по 640 МВт каждый.

В европейской части страны огромную роль в покрытии дефицита мощности, особенно в период максимума нагрузки, играют гидроэлектростанции каскада Волжских ГЭС: Воткинская, Нижне–Камская, Чебоксарская, Жигулевская, Саратовская и Волжская ГЭС.