Мощность и энергия речного потока.
Масса воды, проходящей по руслам рек от истока до устья, совершает определенную работу (1 кг воды, падая с высоты 1 м, способен произвести работу, равную 1 кгс-м)1 и. следовательно, обладает некоторым запасом энергии. Причем, чем больше падение (уклон) реки и расход воды, тем больше энергия. Эта энергия называется водной энергией, а совокупность се для данной реки или речного бассейна называется гидроэнергетическими ресурсами реки или бассейна.
Энергия рек в их естественном состоянии расходуется на преодоление сил трения между частицами воды внутри самою потока и между потоком и его ложем. Внешне работа рек проявляется в размывах русел, во влечении взвешенных в воде наносов и перекатывании по дну частиц гравия, гальки и камней.
Работу, совершаемую рекой, и количество водной энергии, заключенной в любом участке реки, можно выразить математически следующим путем.
Мощность и энергоотдача ГЭС.
Для использования водной энергии данного участка реки на нем необходимо соорудить гидроэлектрическую станцию, в которой водная энергия преобразовывалась бы в электрическую.
Современная ГЭС представляет собой сложный комплекс гидротехнических сооружений различного назначения, гидромеханического, электрического и другого оборудования.
С помощью гидротехнических сооружений концентрируется (сосредоточивается) падение реки. т. е. создается напор ГЭС, а воду направляют через силовое (машинное) здание, где водная энергия с помощью гидромеханического и электромеханического оборудования преобразуется в электрическую. В водяных турбинах происходит преобразование водной энергии в механическую, а в электрических генераторах механическая энергия превращается в электрическую. На повышающей подстанции ГЭС напряжение электрического тока с помощью трансформаторов повышается2 и электрическая энергия по высоковольтным линиям электропередачи направляется потребителям промышленным предприятиям, городам, сельскому хозяйству и пр.
Распределение электрической энергии внутри отдельных потребителей (заводов, фабрик, поселков, колхозных ферм и пр.) производится на низком напряжении (например, 280/320 В), для чего сооружаются понижающие трансформаторные подстанции. где электрический ток высокого напряжения превращается в ток низкого напряжения.
Водяная турбина и электрический генератор ГЭС, соединенные непосредственно на одном валу или с помощью передаточного механизма, называются гидроагрегатом.
Гидроэлектрическая станция превращает в полезную работу не всю энергию реки. Часть ее расходуется на преодоление различных сопротивлении: механических (трение в подшипниках турбины и электрического генератора), гидравлических (внутреннее трение в воде, образование вихрей, трение воды о стенки водоподводящих устройств ГЭС и др.) и электрических (вызывающих нагрев генератора и проводов). В связи с этим для определения мощности ГЭС в формулы (17) и (18) вводят дополнительные множители, выражающие собой к. п. д. водоподводящих сооружении ηс, водяной турбины ητ и электрического генератора ηг.
По величине установленной мощности и годовой выработке ГЭС условно подразделяются на четыре группы (табл. 8).
Таблица 8
Классификация ГЭС по мощности и годовой выработке
По напору различают следующие ГЭС: высоконапорные (с напорами больше 100 м), средненапорные (с напорами от 15—20 до 100 м) и низконапорные (с напорами меньше 15 м).
По способу создания напора различают плотинные и деривационные ГЭС. Если перегородить реку плотиной (рис. 5.2 а), то она будет задерживать воду; уровень воды поднимется до гребня плотины и таким образом создастся возможность сосредоточенного падения воды, так называемый напор. ГЭС. у которых напор создан плотиной, называются плотинными. После создания плотиной необходимого напора вода из реки направляется в машинное здание ГЭС, где ее энергия превращается в электрическую. Излишки воды, имеющиеся в реке, сбрасываются через отверстия в плотине.
При создании напора с помощью плотины используется падение воды лишь той части реки, на которую распространяется созданный ею подпор. Для использования падения воды всей реки необходимо соорудить несколько плотинных ГЭС. располагающихся одна за другой от устья до верховьев.
При использовании водной энергии рек, имеющих большое падение, напор выгоднее создавать с помощью деривационных сооружений, прокладываемых в обход порожистых участков реки. В таких случаях на одном из берегов реки строят в зависимости от местных условий капал, лоток, трубопровод или туннель с уклоном, значительно меньшим уклона реки (рис. 5,2 б). С их помощью из реки отводят воду и направляют к машинному зданию ГЭС.
Уровень воды в деривации в некотором удалении от ее начала благодаря меньшему уклону оказывается выше уровня воды в реке, и получается сосредоточенное падение воды (напор). Такие ГЭС называются деривационными. Водозабор в деривацию обычно происходит с помощью плотины небольшой высоты (в несколько метров), сооружаемой на реке ниже водозабора или совмещенной с ним.
В условиях спокойною рельефа в качестве деривационного сооружения применяют каналы, при изрезанном рельефе — трубопроводы и в условиях горного рельефа — туннели.
ГЭС, у которых напор частично создается с помощью плотины достаточно большой высоты и частично с помощью деривации, называют смешанными (смешанная схема энергоиспользования реки).
Выбор схемы энергетического использования водотока — плотинной, деривационной, смешанной — определяется падением реки, величиной расхода воды, топографическими и инженерно- геологическими условиями русла, поймы и долины.
Плотинные ГЭС более выгодны при малых уклонах рек. так как в этом случае получение необходимого напора с помощью деривации потребует значительной длины последней и она будет дороже плотины. При очень больших расходах воды плотинные схемы энергоиспользования тоже более выгодны, так как каналы больших сечений оказываются дороже плотин.
Расходы воды, используемые в плотинных ГЭС. в настоящее время достигают 14 000 м3/с (Волжская им. В. И. Ленина на р. Волге). Напоры, используемые па плотинных ГЭС. колеблются в очень широких пределах. Минимальные значения используемого напора достигают 1,5—3,0 м. Например, на ГЭС Диксон (США) используемый напор равен 2.45 м (ее мощность 2800 кВт. максимальный расход 140 м3/с). Максимальный напор ГЭС плотинного типа около 280 м (Нурекская ГЭС).
На горных реках с большими падениями (выше 6—8 м на 1 км длины реки) деривационные ГЭС выгоднее плотинных. Напоры деривационных ГЭС колеблются от 10—15 до 1780 м (ГЭС Рейсек в Австрии). Расходы на деривационных ГЭС колеблются в очень значительных пределах от нескольких кубометров в секунду до 1530 м3/с (ГЭС Донзер-Мондрагон на р. Роне во Франции1). Самый большой напор на деривационных ГЭС в СССР достигает 600 м., а самый большой расход 700 м/с на Нарвской ГЭС. Наибольшую протяженность деривации в СССР имеет РиониГЭС (13 км каналы и безнапорные туннели) и Ульбинская ГЭС - 9 км (деревянный трубопровод диаметром 3,0 м).
Выбор схемы использования водотока представляет собой один из сложных вопросов гидроэнергетики и выполняется на основе технического и экономического сопоставлений ряда возможных вариантов.
