Как известно, на ГАЭС стоимость основного технологического оборудования составляет около трети полной стоимости станции. Отсюда ясна роль, которую играют совершенство конструкции и высокие энергетические и кавитационные качества машин. С учетом роли и функции ГАЭС в энергосистеме оборудование ГАЭС должно отличаться особой маневренностью и надежностью в работе и обладать высоким к. и. д. как в турбинном, так и в насосном режиме (к. п. д. современных ГАЭС с учетом всех гидравлических и электрических потерь достигает 75—78%).
Анализ зарубежного опыта показывает, что теоретически возможно применение трех принципиально отличающихся друг от друга вариантов установки основного гидросилового оборудования:
1) установка отдельных насосных агрегатов для работы в режиме «заряда» и отдельных гидротурбинных агрегатов для работы в режиме «разряда», т. е. применение так называемой четырехмашинной схемы, обеспечивающей максимальное значение к. и. д. и быстродействие в обоих режимах работы ГАЭС, но связанной со значительными капитальными затратами;
2) установка отдельных насосов и отдельных гидротурбин, подключенных к единой электрической машине — двигателю-генератору, т. е. применение так называемой трехмашинной схемы, в большинстве случаев также обеспечивающей максимальные значения к. и. д. и достаточное быстродействие в обоих режимах работы ГАЭС (как и при четырехмашинной схеме), но позволяющей исключить одну электрическую машину и упростить электрическую часть станции;
3) установка специальных обратимых агрегатов, приспособленных для работы в обоих режимах ГАЭС, т. е. применение так называемой двухмашинной схемы, обеспечивающей, как правило, минимум капитальных затрат по ГАЭС, но дающей некоторое снижение значения к. и. д. станции в обоих режимах ее работы, поскольку даже лучшие модели обратимых агрегатов все же несколько уступают по к. и. д. насосам и турбинам прямого действия.
Применение на ГАЭС четырехмашинной схемы вызывает значительное увеличение капитальных затрат по сравнению с двумя другими вариантами. Применение обратимых агрегатов позволяет существенно снизить стоимость ГАЭС за счет уменьшения строительных габаритов машзала, стоимости основного и вспомогательного оборудования, подводящих водоводов. В настоящее время одноступенчатые обратимые агрегаты успешно применяются на напоры до 600 м (например, ГАЭС Охира с напором 515—548 м), а многоступенчатые — до 1000 м (например, на ГАЭС Санта Елена с напором 930 м установлены пятиступенчатые обратимые гидроагрегаты мощностью по 82,5 МВт, а на ГАЭС Чиотас- Пнастро с напором 1060 м — четырехступенчатые обратимые агрегаты мощностью по 150 МВт). Предельными по мощности (из находящихся в эксплуатации) в настоящее время являются обратимые гидроагрегаты ГАЭС Рэккун-Маунтин — 400 МВт при напоре 316 м.
Таблица 17.5. Обратимые гидромашины большой мощности для ГАЭС (турбинный режим)
На ГАЭС Баф-Каунти в США в 1983 г. предполагается установить обратимые гидроагрегаты единичной мощностью по 350 МВт; при максимальном напоре 384 м мощность каждого агрегата достигнет 457 МВт. Параметры зарубежных обратимых гидромашин приведены в табл. 17.5.
Первая ГАЭС в СССР, где установлены три обратимых гидроагрегата — это Киевская. Мощность агрегата 33,4 МВт в турбинном и 43 МВт в насосном режиме, расчетный напор соответственно 65 и 69,5 м; диаметр рабочего колеса 4,65 м. Гидромашины, изготовленные Харьковским турбинным заводом, были пущены в эксплуатацию в 1972— 1973 гг. В настоящее время для Загорской ГАЭС установленной мощностью 1200 МВт создаются двухмашинные обратимые агрегаты единичной мощностью 200 МВт с гидромашинами радиально-осевого типа быстроходностью около 220 и односкоростными гидрогенераторами-двигателями. Как было показано в гл. 12, сопоставление различных вариантов оборудования позволило сделать вывод, что увеличение мощности агрегата от 100 до 200 МВт и повышение быстроходности от 140 до 220 дает значительный экономический эффект несмотря на дополнительное заглубление оси рабочего колеса (см. табл. 12.2).
Проект обратимой гидромашины разработан Ленинградским металлическим заводом, в настоящее время идет подготовка к изготовлению машин. Мощность гидромашины при расчетном напоре 100 м в турбинном режиме составляет 205 МВт при максимальной потребляемой мощности в насосном режиме 217 МВт. Диаметр рабочего колеса 6,3 м, номинальная частота вращения 150 об/мин. Максимальный коэффициент полезного действия гидромашины в турбинном режиме составляет 92,5%, а в насосном — 90,4%. Спиральная камера принята металлической, круглого сечения, с углом охвата 351°. Рабочее колесо, состоящее из верхнего и нижнего ободов с вваренными между ними 8 лопастями, выполняется из нержавеющей стали неразъемным. Направляющий аппарат состоит из 20 лопаток асимметричного профиля положительной кривизны, управляемых индивидуальными прямоосными сервомоторами. Предусматривается полная автоматизация работы обратимой гидромашины во всех режимах.
Такие же обратимые двухмашинные агрегаты будут установлены и на строящейся Кайшядорской ГАЭС мощностью 1600 МВт (8 агрегатов по 200 МВт).
Таблица 17.6. Параметры крупных обратимых гидромашин для напоров 90—100 м
ГАЭС | Фирма изготовите ль | Номинальная мощность, МВт | Расчетный напор, м | Диаметр рабочего колеса, м | Максимальный к. п. д., % | Быстроходность | Высота всасывания, м |
Загорская, СССР | ЛМЗ | 205 | 100 | 6,3 | 92,5 | 220 | —13,8 |
Ладингтон, США | Хитачи | 340 | 95 | 8,375 | 93,0 | 200 | —7,5 |
Юкасси, США | Аллис Чалмерс | 200 | 90 | 7,05 | —— | 190 |
|
Технический уровень разработанной обратимой гидромашины по сравнению с лучшими образцами зарубежных фирм характеризуется данными табл. 17.6, из которой следует, что обратимая машина Загорской ГАЭС по своим параметрам приближается к лучшим зарубежным образцам, несколько уступая им по к. п. д. и коэффициенту кавитации. Однако это надо расценивать только как начало планомерной работы по созданию обратимых гидроагрегатов для перспективных отечественных ГАЭС, имеющих различные напоры (от 40 м на низконапорных ГАЭС в составе энергокомплексов до 500 м на высоконапорных ГАЭС).
В соответствии с перспективным планом развития гидроэнергетики СССР и с учетом сравнительно длительных сроков разработки и освоения новых машин намечены и начаты работы, обеспечивающие научно- технический задел, что позволит на будущих электростанциях с наибольшим эффектом использовать новую технику. Так, Харьковский турбинный завод разработал технические предложения по Днестровской, Тереблинской и Теребля-Рикской ГАЭС (табл. 17.7). По перечисленным ГАЭС выполнены конструктивные проработки в объеме эскизных проектов, доказана техническая возможность создания эффективного оборудования и определены прогнозные характеристики машин, их ориентировочные габариты, масса и стоимостные показатели.
Институтом «Гидропроект» выполнены проектные проработки по ГАЭС мощностью 1200 МВт (6 агрегатов по 200 МВт) с подземным бассейном, располагаемым на глубине около 1200 м от поверхности земли, и использованием естественного озера в качестве верхнего бассейна. В связи с тем что опыт проектирования и сооружения подобных высоконапорных ГАЭС с подземным бассейном и создания оборудования для них практически отсутствует, на первой стадии был проведен широкий поиск перспективных схем и видов оборудования, которые могли бы обеспечить оптимальные технико-экономические показатели ГАЭС. Проработки, выполненные Гидропроектом совместно с ЛМЗ и ВНИИГидромашем, показали следующее:
четырехмашинная схема будет наиболее дорогой;
в трехмашинной схеме предпочтение следует отдать установкам с ковшовыми гидротурбинами, ибо создание надежной ковшовой гидротурбины для рассматриваемого напора требует меньшего объема работ, чем создание радиально-осевой турбины на эти параметры;
по расположению вала вертикальная компоновка предпочтительнее горизонтальной;
для дальнейших проработок следует рекомендовать либо двухмашинную установку с обратимой многоступенчатой гидромашиной, либо трехмашинную установку с двухколесной ковшовой гидротурбиной и пятиступенчатым насосом.
