ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ЭНЕРГИЯ, МОЩНОСТЬ И НАПОР ГЭС

Высокоэффективным источником электроэнергии являются гидроэлектростанции (ГЭС), которые представляют собой комплекс гидротехнических сооружений, создающих напор, подводящих к турбинам и отводящих от них воду, и здания ГЭС, в которых размещаются гидроагрегаты, механическое и электрическое оборудование.

Для использования энергии водотока необходимо иметь сосредоточенный перепад уровня воды. В обычных, наиболее часто встречающихся условиях падения водостоков оказываются более или менее равномерно распределенными по длине водотока. Лишь в немногих местах Земного шара существуют естественные, сосредоточенные на небольшом участке русла перепады уровня — водопады.

Существуют три основные схемы использования водной энергии (рис. 7.2, а—в):

• 1) плотинная — подпор уровня водотока создается искусственно, путем строительства плотины;
• 2) деривационная — вода отводится из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон, чем река. Вследствие этой разницы уклонов в конце водовода уровень воды в нем будет выше уровня воды в реке. Этой разностью уровней и создается напор ГЭС;
• 3) комбинированная {плотинно-деривационная) — напор создается как плотиной, так и деривацией, которая отходит от плотины в виде деривационного канала, туннеля или трубопровода.

На ГЭС механическая энергия перемещающихся объемов воды превращается в электрическую с помощью гидротурбин и генераторов, размещаемых в здании ГЭС.

Выполненные по плотинной схеме ГЭС, подразделяются на русловые, у которых здание ГЭС входит в состав водонапорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа, и при- плотинные, у которых здание ГЭС располагается за плотиной, как правило, в нижнем бьефе, а подвод воды к турбинам осуществляется трубопроводами.

ГЭС, выполненные по деривационной схеме, подразделяются на ГЭС с безнапорной деривацией, в которых отвод воды из русла реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом, и ГЭС с напорной деривацией, выполненной в виде напорного туннеля или трубопровода.

Особый тип ГЭС составляют приливные электростанции (ПЭС) (см. рис. 7.2, г), которые используют энергию морских приливов, — потенциальную и кинетическую энергию системы Земля — Луна — Солнце. ПЭС строятся на берегах, где колебания уровня воды у берега могут достигать от 5 до 13 м.

Своеобразным источником энергии являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) (см. рис. 7.2, д). Их назначение — перераспределение электроэнергии, создаваемой другими электростанциями, во времени в соответствии с требованиями потребителей. Принципы действия ГАЭС основаны на ее работе в двух решениях — насосном и турбинном.

Когда в системе избыток электроэнергии, она потребляется ГАЭС, работающей в насосном режиме и перекачивающей воду из нижнего бассейна в верхний. Отдача же энергии, т.е. работа ГАЭС в турбинном режиме, происходит в часы пиков нагрузки энергосистемы. Помимо обеспечения энергосистемы дефицитной пиковой мощностью ГАЭС улучшает (выравнивает) режим работы тепловых электростанций.

Рис. 7.2. Принципиальные схемы ГЭС:

а — плотинная; б—деривационная; в — комбинированная; г — приливная (ПЭС); д — гидроаккумулирующая (ГАЭС)

Выражения для определения энергии и мощности ГЭС могут быть получены из рассмотрения движения воды из верхнего бьефа в нижний (рис. 7.3). Пусть объем воды W, центр тяжести которого находится в точке А сечения 1—1 верхнего бьефа, перемещается за время t с секундным расходом Q в точку Усечения 2—2, расположенного в нижнем бьефе, с попутным использованием энергии объема гидротурбинной.

Выражение для энергии ГЭС запишется следующим образом:

где ^^yh_w — суммарные гидравлические потери в водоводах ГЭС между точкой А и входом в турбину; ц_эн об — КПД энергетического оборудования, учитывающий потери энергии в камере, турбине и отсасывающей трубе.

Рис. 7.3. Схема определения напора ГЭС

Полученное выражение можно записать в другом виде: _тт ал^-ал)? тт

Выражение Н_ст +——-= #_бр получило название полного напора брутто.

Разность напора брутто и гидравлических потерь в водоводах ГЭС tf_6p-XV ^{= Н}н называется напором нетто. Отсюда

Мощность ГЭС:

Коэффициент полезного действия энергетического оборудования: где Лтурб — КОД турбины; г|_ген — КПД генератора.