750

гию, 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.

Внастоящее время в России работает Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт, ведется проектирование и строительство других ГАЭС, в частности Тереблинской ГАЭС.

Приливная электростанция (ПЭС) сооружается на по-

бережье морей и океанов со значительными приливноотливными 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. Перепады этих уровней создают напор, который используется при работе гидротурбин ПЭС.

Внекоторых морских заливах приливы достигают 10–12 м, а наибольшие приливы наблюдаются в заливе Фанди (Канада) – до 21 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.

4.4. Схемы использования гидравлической энергии

В большинстве случаев ГЭС представляют собой объ-

екты 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, 181

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

вкачестве регулирующей емкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

Рис. 4.1. Схема создания напора на плотинной ГЭС

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

ГЭС с русловым зданием характеризуется тем, что ее здание входит в состав водонапорных сооружений и воспри-

182

нимает 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

183

(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 ме-

184

ханическая энергия преобразуется в электрическую. Электрическая энергия по линиям высокого напряжения передается в районы потребления, иногда на расстояние 1000 км

иболее. 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 разных 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)

исоответственно большую мощность.

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

185

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 народно-хозяйственных 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 Магелланова

186

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 Баренцевом и Белом морях, возможные к использованию в России, оцениваются примерно в 40 млрд кВт∙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.

4.5. Основное оборудование ГЭС

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и гидрогенераторы.

4.5.1. Гидротурбины

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. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса.

Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально-осевые и ковшовые. Рассмотрим схемы их устройства и принцип действия.

187

Осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Каплана) являются низконапорными турбинами. Они используются при малых напорах – от 1–3 до 60–70 м. Схема осевой турбины показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема осевой гидротурбины

Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса 1, укрепленных в корпусе 2 с обтекателем, соединено валом 3. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным – от 4 до 8. Чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жестко, с каким-то некоторым углом наклона. В этом случае турбина называется пропеллерной. Однако обычно лопасти делаются поворотными, т.е. на ходу в зависимости от условий работы (нагрузка, напор) угол установки лопастей может меняться. Такие турбины называются поворотнолопастными. Поворотно-лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.

Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин только тем, что

188

лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45–60°).

Радиально-осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Френсиса) являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазоне от 40–60 до 500–700 м. Схема радиально-осевой турбины показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема радиально-осевой гидротурбины

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из 12–17 лопастей рабочего колеса 1, образующих круговую решетку лопастей. Лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата 2, постепенно меняет направление с радиального на осевое. В настоящее время созданы уникальные радиальноосевые турбины мощностью 640 МВт.

Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбинами Пельтона, иногда «свободноструйными») – это высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400–600 м. Схема ковшовой турбины показана на рис. 4.7.

189

Основными ее элементами являются сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2, и рабочее колесо 3, укрепленное на валу 4. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды, так что рабочее колесо вращается в воздухе. В этой 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 5. Внутри сопла расположена регулировочная игла 6, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

Рис. 4.7. Схема ковшовой гидротурбины

Ковшовые гидротурбины являются наиболее распространенными активными гидротурбинами.

Радиально-осевые турбины установлены, например, на Братской, Красноярской ГЭС. Поворотно-лопастными осевыми турбинами оборудованы, в частности, Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская ГЭС.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться

190