6. Гидравлические электрические станции

Гидроэлектростанции являются одними из основных генерирующих установок, производящих электроэнергию. Они обладают целым рядом особенностей, которыми объясняется особое внимание, уделяемое им как в мировой, так и в нашей энергетике [1].

К основным особенностям следует отнести;

– использование возобновляемых источников энергии, что делает эти станции наиболее надежными и экономически эффективными;

– высокую маневренность оборудования, что позволяет использовать их с большой эффективностью при покрытии переменной части графика нагрузки;

– низкую себестоимость электроэнергии, производимой на гидроэнергетических установках, которая объясняется как низкими эксплуатационными издержками, что связано с высоким уровнем автоматизации процесса производства электроэнергии, так и низким расходом электроэнергии на собственные нужды.

Большинство гидроэлектростанций входят в состав двух систем – энергетической и водохозяйственной, каждая из которых обеспечивает развитие многих отраслей народного хозяйства.

Роль гидроэнергетики особенно повысилась в связи с созданием Единой энергетической системы (ЕЭС) России и введением рыночных отношений в процесс производства, передачи и распределения электроэнергии.

Создание Федерального (общероссийского) оптового рынка электрической энергии (мощности) (ФОРЭМ) существенным образом изменило место и роль гидроэлектростанций в энергетической системе и позволило наиболее полно реализовать их режимные преимущества.

На гидроэлектростанциях электрическая энергия получается в результате преобразований энергии водного потока. Каждая ГЭС состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, а также энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую. Такое преобразование осуществляется с помощью гидравлической турбины, основным элементом которой является рабочее колесо. Вода, попадая из водохранилища по напорному трубопроводу на лопасти рабочего колеса, вращает его, а вместе с ним и ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Гидроэлектростанции (ГЭС) преобразуют механическую энергию потока воды в электрическую.

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, зная расход, м³/с, и напор, м :

Р = 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 . Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P = 9,81QH.

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 6.1), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис. 6.1, б). В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используют динамическое давление воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном эффекте.

В ковшовой активной турбине (рис. 6.2) 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. 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.

а) б)

Рис. 6.1. Схема создания напора:

а  с помощью плотины; б  с помощью деривационного канала: 1  канал; 2  напорный бассейн; 3  турбинные водоводы; 4  здание ГРЭС; 5  русло реки; 6  плотина

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 регулирующая игла, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

Рис. 6.2. Схема работы активной турбины: 1  верхний бьеф; 2  трубопровод;