ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ. ГИДРОРЕСУРСЫ ЗЕМЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ГЭС. ЭНЕРГОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГЭС. ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Основные понятия. Гидроресурсы Земли. Классификация ГЭС

Гидравлическая электростанция (ГЭС) - электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования механической энергии водного потока.

Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии. Гидравлическая (механическая) энергия речного стока может быть преобразована в электрическую энергию с помощью гидротурбины и генератора. Гидравлическая турбина вместе с генератором и возбудителем называется гидрогенератором.

Количество воды, протекающей через поперечное водотока в 1 с, называется расход воды Q (м³/с).

Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³. Расход воды наиболее крупных рек планеты приведен в табл. 6.1

Таблица 6.1

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35 10³ млрд. кВт ч в год и 4000 ГВт среднегодовой мощности. Потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд. кВт ч при среднегодовой мощности 330 ГВт.

Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для хозяйства страны, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на ещё мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.

Особенностью стока реки является его неравномерное распределение, как по годам, так и в течение года.

Неравномерность стока в течение года неблагоприятна для энергетики. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.

Суммарный объём воды, прошедшей через поперечное сечение водотока за некоторое время называется стоком W (м³, км³).

Мощность водотока

где - удельная потенциальная энергия жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока.

Выражение для мощности определяет потенциальную (теоретическую) выработку энергии и мощность. Механическая энергия речного стока (или гидравлическая энергия) может быть преобразована в электрическую энергию посредством гидротурбин и генераторов.

Самые мощные ГЭС в мире: Санься (Китай) на реке Янцзы 22,4 ГВт; Итайпу (Бразилия, Парагвай) на реке Парана 14,0 ГВт; Гури (Венесуэла) на реке Карони 10,3 ГВт. В России самая мощная (в настоящее время без учёта Саяно-Шушенской ГЭС) Красноярская ГЭС 6,0 ГВт. Наибольшая мощность гидрогенератора 750 МВт на ГЭС Итайпу (Бразилия, Парагвай); всего 18 таких блоков.

В настоящее время применяют три основные схемы использования гидроэнергии:

l плотинная, при которой напор воды создаётся плотиной;

l деривационная, при которой напор создаётся с помощью деривации (обходной водовод), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;

l плотинно - деривационная, в которой напор создаётся плотиной и деривацией.

Плотинная схема использования гидроэнергии обычно выполняется при больших расходах воды и малых уклонах реки. Посредством плотины река подпирается и создаётся напор воды Н. Водное пространство, расположенное выше плотины называется верхним бьефом (франц. вief), ниже плотины - нижним бьефом. Плотинная схема в зависимости от напора воды может быть русловой или приплотинной.

Русловая ГЭС строится при сравнительно небольших напорах. В этом случае здание ГЭС (машинное здание) находится в плотине. Русловыми ГЭС являются электростанции Волжско-Камского каскада. На рис. 6.1 показан вид на Волжскую ГЭС (г. Самара) со стороны нижнего бьефа.

При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем 6 раз, здание ГЭС находится за плотиной со стороны нижнего бьефа. Такая ГЭС называется приплотинной. Вода к турбинам ГЭС подводится водоводами, размещёнными в теле или поверх бетонной плотины. Примерами таких ГЭС являются: Братская, Красноярская, Саяно-Шушенская (рис.6.2).

ГЭС по деривационной схеме строятся при малых расходах воды и больших уклонах реки. В деривационной схеме плотина возводится невысокой, лишь обеспечивающей забор на деривацию; при этом станционный узел расположен вдали от плотины.

Рисунок 6.1. Вид на Волжскую ГЭС (г. Самара) со стороны нижнего бьефа

Рисунок 6.2. Плотина Саяно-Шушенской ГЭС

При создании водохранилища ГЭС плотины являются основными гидротехническими сооружениями и входят в состав напорного фронта. Используются две группы плотин: бетонные (железобетонные) и грунтовые.

Бетонные плотины подразделяются на гравитационные, контрфорсные и арочные.

Гравитационная плотина является массивной, её устойчивость обеспечивается собственным весом (гравитацией). Плотина, не допускающая перелив воды через гребень, называется глухой (рис.6.3,а). Плотина, выполненная с поверхностным водосливом или отверстиями для пропуска воды, называется водосливной (рис.6.3,б).

Контрфорсная плотина выполняется в виде вертикальных железобетонных рёбер (контрфорсов), на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты, воспринимающие давление воды. Контрфорсы соединяются между собой балками жёсткости (рис.6.3,в).

Рисунок 6.3. Основные виды плотин ГЭС

В узких ущельях на скальном основании возводят арочные плотины. Арочная плотина, выполненная в виде свода, воспринимает давление воды и передаёт часть нагрузки на скальные берега и скальное основание (рис.6.3,г).

Плотины из грунтовых материалов разделяются на земляные и каменные. Земляные плотины по виду возведения могут быть насыпные и намывные. Каменные плотины подразделяются на каменно-набросные и каменной кладки.

На деривационных ГЭС в качестве подводящей или отводящей деривации используются гидротехнические сооружения: туннели, каналы или трубопроводы.

Регулирование стока реки осуществляется водохранилищем.

Водохранилищем называется искусственный водоём, образующийся перед плотиной. Основное отличие водохранилища от естественного водоёма заключается в его возможности регулирования речного стока и уровневого режима.

Регулирование стока - это процесс перераспределения его водохранилищем в соответствии с требованиями водохозяйственного комплекса. Речной сток аккумулируется в водохранилище в периоды, когда естественная приточность воды превышает потребности в ней, и расходуется в периоды, когда потребность в воде превышает приточность.

Основные виды регулирования стока: суточное, недельное, годичное и многолетнее.

Суточное регулирование предназначено для обеспечения неравномерного расхода воды через агрегаты ГЭС в соответствии с требованиями суточных колебаний нагрузки энергосистемы.

Недельное регулирование обеспечивает неравное потребление воды агрегатами ГЭС в течение недели в соответствии с требованием недельных колебаний нагрузки энергосистемы. В выходные дни нагрузка в энергосистеме падает.

Годичное регулирование позволяет перераспределять сток воды в течение года в соответствии с потребностями энергосистемы и водопотребителей. Цикл регулирования равен 1 году. В многоводные периоды водохранилище наполняется, а в маловодные - срабатывается. Для проведения годичного регулирования требуется объём водохранилища, составляющий 5 - 10 % среднегодового стока при частичном (сезонном) и 40 - 60 % при полном годичном регулировании.

Водохранилище годичного регулирования позволяет осуществлять суточное и недельное регулирование.