Глава 1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) — промышленное предприятие комплексного назначения, связанное с работой таких отраслей народного хозяйства, как энергетика, сельское хозяйство, водоснабжение промышленности и населения, водный транспорт, рыбное хозяйство, лесосплав, рекреация и т. д.
ГЭУ предназначена для преобразования гидравлической энергии в электрическую и наоборот, а также для перераспределения речного стока во времени и пространстве для удовлетворения нужд народного хозяйства в электроэнергии и воде в нужном количестве и качестве.
В отличие от других видов современных электростанций ГЭУ не изменяет физическую сущность энергоносителя (воды) в процессе технологического цикла. Это обстоятельство имеет большое значение при комплексном использовании водных ресурсов.
В состав ГЭУ входят гидротехнические сооружения, основное и вспомогательное оборудование, которые позволяют осуществить промышленное использование гидроэнергопотенциала данного участка водотока, а также приливную или волновую энергию морей и океанов.
В зависимости от способа преобразования и использования гидравлической энергии различают следующие основные типы ГЭУ: гидроэлектростанции (ГЭС), насосные станции (НС), гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), приливные электростанции (ПЭС). ГЭУ входят в состав энергетических (ЭК) и энерготехнологических комплексов (ЭТК), включающих в себя ТЭС, АЭС и другие виды промышленных предприятий. Нетрадиционными типами ГЭУ являются волновые гидроэлектростанции (ВГЭС) и малые ГЭС (МГЭС). Несколько ГЭУ одного пли разных типов могут объединяться в каскад.
Каждый тип ГЭУ обладает определенными особенностями с точки зрения технологии использования и преобразования гидравлической энергии, а также роли и значения ГЭУ в составе энергетических и водохозяйственных систем.
ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
ГЭС предназначена для выработки электроэнергии и перераспределения во времени речного стока с помощью водохранилища для удовлетворения потребностей экономики страны.
ГЭС — традиционные гидроэнергоустановки с установленной мощностью выше некоторого предела, характерного для каждой страны. Для СССР — это ГЭС с установленной мощностью более 30, для США — выше 35, для Швеции — выше 1,5 МВт и т. д.
С помощью гидротехнических сооружений создается перепад уровней в определенном месте — створе ГЭС, тем самым создается напор. Для выработки электроэнергии при созданном в створе напоре необходимо пропустить сток реки через гидроагрегат, состоящий из турбины и гидрогенератора. Источник гидроэнергопотенциала, используемого на ГЭС, — крупные и средние реки, крупные ирригационные системы и системы водоснабжения, склоновый сток ледников и вечных снегов. ГЭС в основном отличаются друг от друга способом создания напора, степенью регулирования стока, типом установленного основного оборудования, комплексностью использования водотока (одно- или многоцелевое назначение) и т. д.
По способу создания напора ГЭС различают три основные схемы: плотинная, деривационная и плотинно-деривационная. Во всех схемах обязательно наличие плотины. Водное пространство, образованное плотиной и имеющее более высокие отметки своей поверхности по отношению к естественному состоянию реки называется верхним бьефом (ВБ); водное пространство за плотиной вниз по течению реки называется нижним бьефом (НБ) (рис. 1.1).
Плотинная схема реализуется главным образом на равнинных реках с малыми гидравлическими уклонами. Напор, или разница уровней верхнего и нижнего бьефов, создается за счет сооружения плотины. При этом отметки водохранилища всегда выше естественного состояния реки.
Различают следующие характерные значения уровней ВБ, или zв.б —УМО, НПУ и ФПУ:
УМО — уровень мертвого объема или минимально допустимый уровень верхнего бьефа по условиям нормального функционирования ГЭС;
НПУ — нормальный подпорный уровень или уровень верхнего бьефа, при котором ГЭС работает с соблюдением заданных нормальных технических условий;
ФПУ — форсированный подпорный уровень или максимально допустимый уровень верхнего бьефа в экстремальных условиях.
При наличии бытового притока воды в водохранилище (Qб на рис. 1.1) в верхнем бьефе создастся кривая подпора, характеризующая дополнительное поднятие уровня воды в «хвостовой» части водохранилища.
По месту расположения здания ГЭС плотинные схемы разделяют на русловые и приплотинные. В русловой ГЭС, применяемой при напорах до 30—40 м, здания с установленным в нем основным оборудованием принимает участие в создании напора; в приплотинной — оно располагается за плотиной и участия в создании напора не принимает. В большинстве случаев здания приплотинных ГЭС расположены на поверхности земли, значительно реже — под землей.
Рис. 1.1. Плотинная схема концентрации напора:
а — план гидроузла; б — разрез по створу; в — обобщенная схема ГЭС; 1 — глухая плотина: 2 — водосливная платина; 3 — напорные водоводы; 4 — здание ГЭС; 5 — сороудерживающие сооружения (СУС); 6 — гидроагрегат.
Вода к агрегатам подводится по относительно длинным напорным водоводам, как по индивидуальным, так и по общим. Для русловой схемы характерны малые расстояния от верхнего бьефа до гидротурбинной установки. Подвод воды к агрегатам здесь осуществляется по индивидуальным водоводам. На ГЭС, как правило, устанавливаются сороудерживающие сооружения (СУС) для защиты агрегатов от крупных плавающих тел и мусора. Отвод воды от гидроагрегата осуществляется обычно с помощью отсасывающей трубы непосредственно в нижний бьеф. Иногда на ГЭС осуществляется холостой сброс воды в нижний бьеф через водослив, минуя гидроагрегаты.
На основании сказанного на рис. 1.1 дана некоторая обобщенная структурная модель технологического процесса прохождения воды через ГЭС от верхнего до нижнего бьефа.
Русловыми низконапорными ГЭС (напор до 20—30 м) являются все гидроэлектростанции Волжско-Камского и Днепровского каскадов (кроме Днепрогэс), Иркутская, Новосибирская ГЭС и др. Примеры приплотинных ГЭС — Братская, Усть-Илимская, Красноярская, Саяно-Шушенская, Рогунская, Чиркейская, Днепрогэс. Диапазон напоров на приплотинных ГЭС — от 35 до 300 м.
Плотинные схемы, как правило, имеют водохранилища, предназначенные для перераспределения бытового стока реки во времени. Значительно реже эти ГЭС работают по водотоку при НПУ = соп51. Основные виды турбин, устанавливаемых на русловых ГЭС, — горизонтальные и вертикальные агрегаты с пропеллерными, поворотно-лопастными и реже — радиально-осевыми турбинами; на приплотинных ГЭС устанавливаются обычно радиально-осевые и диагональные агрегаты.
Как правило, все плотинные ГЭС — комплексного назначения. Исключением являются некоторые ГЭС, предназначенные в основном для выработки электроэнергии (Вилюйская, Колымская).
Деривационная схема реализуется главным образом на реках с большими уклонами в горных и предгорных районах (рис. 1.2). Напор ГЭС создается за счет использования естественного перепада уровней водотока. Состав основных сооружений здесь значительно отличается от состава их в плотинной схеме. Плотина головного сооружения предназначена лишь для организации отбора воды через водозаборные сооружения в деривацию. Деривация может быть безнапорной (в виде каналов или лотков) или напорной (в виде трубопроводов), а также смешанного типа.
Открытая деривация бывает саморегулирующаяся и несаморегулирующаяся. В первом случае берега канала горизонтальны по всей его длине. Это позволяет регулировать режим расходов в канале вплоть до полной остановки ГЭС с помощью изменения открытия направляющего аппарата или площади сопла в ковшовой турбине. Саморегулирующаяся деривация требует значительных земляных работ и характеризуется малой длиной деривации. В противном случае принимается несаморегулирующаяся деривация с одинаковым уклоном канала и его берм. Регулирование мощности ГЭС здесь в основном осуществляется за счет маневрирования затворами на водозаборном сооружении головного узла. При значительной длине деривации и времени добегания от головного узла к ГЭС требуется создание сложной системы автоматического регулирования мощности. При быстром сбросе нагрузки на таких ГЭС возможны холостые сбросы воды через специальные сооружения в напорном бассейне ГЭС (см. рис. 1.2). Иногда в конце деривационного канала сооружают бассейн суточного регулирования (БСР).
Рис. 1.2. Деривационная схема концентрации напора:
а — план гидроузла; б — разрез по основным водопроводящим сооружениям; в — обобщенная схема ГЭС; 1 — головной гидроузел; 2 — водозаборные сооружения ГЭС; 3 — подводящая деривация (напорная и безнапорная); 4 — напорный бассейн; 5 — напорные водоводы; 6 — уравнительные резервуары; 7 — здание ГЭС; 8 — отводящая деривация; 9 — гидроагрегат
Вода от головного узла через деривацию, распределительное сооружение (иногда напорный бассейн) и турбинные водоводы подается к агрегатам ГЭС и сбрасывается в нижний бьеф в створе реки, удаленном от головного сооружения, в то время как в плотинной схеме забор воды в верхнем бьефе и сброс ее в нижний бьеф осуществляются практически в одном створе.
Гидравлическая схема напорных турбинных водоводов может быть блочной или неблочной. Деривация, как правило, бывает однониточной. Для защиты напорных водоводов от разрушения при гидравлическом ударе на них сооружаются уравнительные резервуары.
Ри-. 1.3. Плотинно-деривационная схема кднцен-ргции капора
Рис. 1.4. Схема ГЭС с переброской стока между двумя реками
Отвод воды от здания ГЭС может осуществляться или непосредственно в нижний бьеф, или с помощью отводящей деривации — безнапорной или напорной. В последнем случае также возможна установка уравнительных резервуаров.
Здание деривационных ГЭС может быть наземного, полупод- земного и подземного типов. В СССР деривационные ГЭС расположены в горных районах (Храмские, Ладжанурская, Гюмушская. Алма-Атинская и др.). За рубежом число деривационных ГЭС весьма значительно в Австрии, Швейцарии, Италии и других странах. Максимальный напор на этих ГЭС достигает 1500 м и более.
Деривационные ГЭС в основном предназначены для краткосрочного регулирования речного стока или для работы по водотоку. Эти ГЭС, как правило, одноцелевого энергетического назначения. Основные виды турбин деривационных ГЭС радиальноосевые и ковшовые. Отличительной особенностью режимов деривационных ГЭС является, как правило, незначительный диапазон колебаний уровней верхнего и нижнего бьефов.
Смешанные, или плотинно-деривационные схемы. Для этих схем доли напора, создаваемого за счет деривации и плотины головного узла Нпл, соизмеримы (рис. 1.3). Наличие плотины и значительного водохранилища позволяет осуществлять на этих ГЭС как краткосрочное, так и длительное регулирование стока. Характеристики и показатели плотинно-деривационных и деривационных ГЭС аналогичны. По смешанной схеме концентрации напора в СССР построены Ингурская, Земо-Авчальская, Намахванская, Степанаванская, Коксуйские ГЭС и др.
Прочие схемы использования напора. При переброске части стока рек, имеющих разные отметки на относительно небольшом расстоянии друг от друга, дополнительно напор может быть создан за счет сооружения плотины в головном узле (на реке А, рис. 1.4). Пример подобной ГЭС в СССР — Теребля-Рикская в Карпатах, где осуществлена переброска части стока р. Теребля в р. Рика по деривационной схеме. При этом с помощью плотины головного узла создано водохранилище сезонного регулирования стока. Напор ГЭС более 200 м, назначение — энергетическое. Примеры других ГЭС подобного рода — Ингурская, Ладжанурская, Белореченская, Сенгилеевская, Свистухинская.
Иногда возможна переброска стока и между бассейнами трех рек.
Другим примером реализации на ГЭС имеющегося перепада отметок водотоков являются гидроузлы, сооружаемые в водохозяйственных системах. В этих системах иногда оказывается целесообразным строительство ГЭС, которые одновременно с выработкой электроэнергии будут осуществлять гашение энергии потока в нижнем бьефе. Режим работы таких ГЭС полностью подчинен режиму водопотребления; как правило, они работают или круглый год, или только в определенный период (например, вегетационный период для систем ирригации). Наличие водохранилищ водохозяйственного назначения позволяет таким ГЭС вести как краткосрочное, так и длительное регулирование стока. Режим попусков в нижний бьеф обычно равномерен в течение суток-недели.
В водохозяйственных системах возможно сооружение как плотинных, так и деривационных ГЭС (каскады ГЭС в Узбекистане на канале Боз-Су, Кубань-Калаусском оросительном канале, Невинномысском канале и др.). Диапазон изменения напоров ГЭС, сооружаемых на водохозяйственных плотинах, может быть весьма большим (до 80 % его максимального значения).
1.1.3. НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Насосные станции (НС) предназначены для подачи веды с низких отметок на более высокие и являются потребителями электроэнергии. В насосных станциях происходит процесс, обратный рассмотренному на ГЭС; здесь электрическая энергия преобразуется в гидравлическую.
Схемы концентрации напора насосной станции аналогичны схемам плотинных ГЭС. Они могут подавать воду в канал, реку или водохранилище. Их обобщенная технологическая схема во многом похожа на схему плотинных ГЭС с обратным направлением подачи воды — из НБ (нижнего бассейна) в верхний бьеф (верхний бассейн) (рис. 1.5).
Режим НС определяется требованиями потребителей воды — сельского хозяйства, промышленности, коммунально-бытовыми нуждами и др. Водохранилища в нижнем и верхнем бьефах насосной станции позволяют использовать их как потребителей-регуляторов нагрузки в системах.
Рис. 1.5. Технологические схемы работы насосных станций:
а —схема основных сооружений; б — план гидроузла; в — обобщенная схема ГЭС; 1 — подводящая деривация; 2 — здание НС; 3 — отводящая деривация; 4 — гидроагрегат; 5 — сороудерживающие сооружения
В зависимости от напоров на насосных станциях могут устанавливаться осевые, диагональные радиально-осевые (центробежные) насосы. При малых напорах и больших расходах устанавливаются горизонтальные агрегаты (см. рис. 1.5). Схема таких станций весьма проста и практически состоит только из здания данной станции. При средних и больших напорах строятся насосные станции с длинными напорными водоводами (см. рис. 1.5).
В зависимости от вида водозабора в НБ и водопотребителей в ВБ отметки НС могут быть либо постоянными (канал — канал), либо переменными (регулирующие водохранилища в НБ и ВБ).
В настоящее время в СССР уже построен или строится ряд крупных НС, работающих на больших каналах, таких как Иртыш — Караганда, Днепр — Донбасс и др. Мощность НС здесь достигает несколько сотен мегаватт. Особенно много НС в южной части СССР. Планируется введение крупных НС на трассах переброски стока по территории нашей страны.
Рис. I 6. Технологическая схема ГАЭС:
а — план гидроузла: б — разрез по основным водопроводящим сооружениям; в — обобщенная схема ГАЭС; 1 — сороудерживающие сооружения; 2 — здание ГАЭС: 3 — водопроводящие сооружения (водоводы); 4 — гидроагрегат
