Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) представляют собой установки по технологическому циклу, совмещающие в себе ГЭС и НС. Задача ГАЭС заключается в аккумулировании гидравлической энергии и последующем расходовании ее в нужное для энергосистемы время. В связи с этим различают режим заряда и разряда ГАЭС, когда она работает как НС и ГЭС соответственно.
ГАЭС, так же как ГЭС и НС, различаются по длительности цикла заряд-разряд, типу используемого основного оборудования, конструктивному исполнению и целевому назначению, а также по виду гидроаккумулирования.
Обязательные элементы ГАЭС: верхнее и нижнее водохранилища или бассейны (ВБ и НБ по аналогии с ГЭС); здание ГАЭС с установленным в нем основным оборудованием; водоподводящие и водоотводящие сооружения, которые меняют свое назначение в зависимости от вида работы ГАЭС (заряд-разряд) (рис. 1.6). В некоторых случаях на ГАЭС возможна установка уравнительных резервуаров (рис. 1.7, в).
В зависимости от объема водохранилища различают ГАЭС краткосрочного и длительного аккумулирования.
По напору ГАЭС можно разделить на три группы: низконапорные — до 60—80 м, средненапорные — от 80—100 до 300—400 м, высоконапорные — свыше 300—400 м.
ГАЭС могут быть несовмещенного (чистого) и совмещенного (смешанного) гидроаккумулирования. В первом случае естественная приточность в верхний бассейн отсутствует полностью, в нижний — частично. Нижний бассейн используется только для нужд ГАЭС. Пример такой ГАЭС в СССР — Загорская на р. Кунья вблизи г. Загорска Московской обл. Приток р. Кунья здесь используется только для восполнения потерь воды из нижнего в верхний бассейн.
Рис. 1.7. Схемы ГАЭС смешанного типа:
а — плотинная схема; б — на переброске стока; в — деривационная; г — увеличенного напора; 1 — здание ГАЭС; 2 — напорные водоводы: 3 — уравнительный резервуар
В совмещенной схеме гидроаккумулирования существует естественный приток в верхний бассейн (рис. 1.7). Оба водохранилища ГАЭС или одно из них является составной частью ГЭС. Пример такой ГАЭС в СССР — Киевская на р. Днепр, нижним бьефом которой является водохранилище Киевской ГЭС. В ряде случаев в одном гидроузле могут быть совмещены ГЭС и ГАЭС, что позволяет классифицировать их как ГЭС-ГАЭС.
Гидравлическое аккумулирование энергии возможно и путем использования схемы с переброской стока нескольких рек (рис. 1.7, б). Примером такой схемы может служить проект Теребля-Рикской ГАЭС, базирующейся на существующей схеме использования перепада уровней рек Теребли и Рики в Карпатах.
Принципиально возможна установка агрегатов ГАЭС на существующих каскадах ГЭС сомкнутого типа (рис. 1.7, а). Для повышения напоров таких ГАЭС в режиме разряда возможно использование дополнительного водохранилища, сооружаемого в районе существующей ГЭС на одном из высоких берегов реки. Подобная схема получила название ГЭС-ГАЭС увеличенного напора (рис. 1.7, г).
Нижний бассейн и здание ГАЭС могут быть и подземного типа. В этом случае нижний бассейн располагается, как правило, на большой глубине (более 500 м).
Рис. 1.8. Схемы основного оборудования ГАЭС:
а — четырехмашинная; б — трехмашинная; в — двухмашинная (обратимый агрегат); 1 — генератор; 2 —турбина; 3 — двигатель; 4 — насос; 5 — двигатель-генератор; 6 —соединительная муфта; 7 — насос-турбина (обратимая гидромашина)
ГАЭС чистого аккумулирования, как правило, имеют напоры более 200—300 м, что объясняется необходимостью уменьшения площади затоплений при сооружении верхнего и нижнего бассейнов. Совмещенные ГЭС-ГАЭС по диапазону изменения напора очень разнообразны. На ГАЭС используются следующие турбины: диагональные, поворотно-лопастные, радиально-осевые и насосы: осевые, диагональные, радиально-осевые (центробежные).
Водохранилища ГАЭС могут дополнительно служить для целей водоснабжения, рекреации и разведения рыб.
По составу основного оборудования ГАЭС делятся на три категории: четырех-, трех- и двухмашинные схемы (рис. 1.8). Четырехмашинная схема (рис. 1.8, а) представляет собой сочетание в одном створе ГЭС и НС с соответствующими агрегатами: турбина-генератор, двигатель-насос. Он применяется, как правило, для больших напоров и малых расходов (более 1000 м и до 10 м3/с в одном агрегате). Достоинством этой схемы является возможность оптимального использования насосного и турбинного оборудования ГАЭС. Недостаток — большие затраты по гидроузлу в целом. По четырехмашинной схеме построена ГАЭС Эцталь (Австрия) с двумя агрегатами при напоре 1655 м, мощность 544 МВт; ГАЭС Тирфед (Швейцария) при напоре 292 м, мощностью 900 МВт и др.
Трехмашинная схема имеет один обратимый двигатель-генератор, турбину и насос (рис. 1.8, б). Экономически эта схема более эффективна, хотя и сложнее технологически. Она требует значительной высоты здания ГАЭС при вертикальном вале агрегата или его длины при горизонтальном расположении вала. Трех- и четырехмашинные схемы предполагают использование различных типов гидромашин, и до последнего времени они широко применялись на ГАЭС в Австрии, ФРГ, Швейцарии и других странах на напорах до 1000 м.
В последнее время в мире наибольшее распространение получила двухмашинная схема, или схема с обратимыми агрегатами (рис. 1.8, в). Такая схема наиболее экономична, но и сложнее по технологии изготовления и эксплуатации. Обратимыми могут быть поворотно-лопастные, радиально-осевые и диагональные гидроагрегаты. Диапазон напоров обратимых гидромашин в настоящее время изменяется от нескольких до 1000 м (например ГАЭС Да Кош во Франции, напор 930 м). ГАЭС с обратимыми агрегатами имеются в Австрии, Англии, Испании, - ПНР, СССР, США; особенно много их в Японии. Единичная мощность обратимых агрегатов доходит до 700 МВт (проект ГАЭС Бремм в ФРГ). В СССР в настоящее время действует Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт при напоре 71 м с обратимыми и насосными агрегатами. Строятся две ГАЭС — Загорская и Кайшядорская мощностью 1200 и 1600 МВт соответственно с обратимыми радиально-осевыми агрегатами (напор 100 м и мощность 200 мВт). Намечается строительство еще нескольких ГАЭС в европейской части СССР.
