Гидравлические электрические станции

Гидроэнергия относится к числу возобновляемых источников, которые традиционно используются уже многие годы. Неиссякаемая энергия рек является следствием круговорота воды в природе, совершаемого за счёт энергии солнца. Запасы этой энергии на планете определяются общим годовым стоком рек, который оценивается в 40 000 куб. км.

Самая полноводная река мира Амазонка каждый год несёт в Атлантический океан более 7000 куб. км воды, объём которой можно представить в виде куба с ребром в 18 км. Крупнейшая река России Енисей характеризуется стоком, равным примерно 620 куб. км в год.

Годом рождения современной гидроэнергетики можно считать 1891 год, когда русский инженер М.О. Доливо-Добровольский в Германии построил первую ГЭС мощностью 1000 кВт с трёхфазным генератором, который вращала небольшая водяная турбина.

Это строительство было приурочено к открытию электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне. Вырабатываемая электроэнергия передавалась от ГЭС на территорию выставки по невероятно протяжённой по тем временам линии передач длиной 175 км.

Принципиальная схема устройства современной ГЭС проста и понятна (рисунок 4.1).

Важнейшим элементом ГЭС является плотина, выше которой по течению реки образуется водохранилище с большим запасом воды. Уровень воды в водохранилище называют горизонтом верхнего бьефа (ГВБ), уровень воды в реке ниже плотины – горизонтом нижнего бьефа (ГНБ). Разность этих горизонтов называют напором, измеряемым в метрах,

Н=ГВБ – ГНБ.

В теле плотины устроены каналы для подвода падающей воды к гидравлическим турбинам, которые вращают ротора синхронных генераторов.

Мощность в МВт, вырабатываемая гидроагрегатами, определяется по формуле

,

где Q – расход воды в м³/с;

H – напор в м;

– КПД в %.

Водохранилище позволяет менять мощность, вырабатываемую ГЭС, независимо от притока воды, поступающего с верховьев реки, срабатывая или накапливая воду в водохранилище.

По оценкам наибольшие запасы гидроэнергии размещаются в КНР, России, Бразилии, США, Заире и Индии. Однако далеко не везде эти запасы эффективно используются. В Швеции и Норвегии, например, гидроресурсы использованы более чем на 80 %, в Японии на 65, а в России примерно на 10 %.

Установленная мощность всех ГЭС на планете составляет примерно 1000 ГВт, а их доля в годовой выработке электроэнергии около 20 %. Крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» пущена в Китае на реке Янцзы в 2012 г. и имеет мощность 22,5 ГВт. В Южной Америке самая мощная ГЭС Итайпу имеет мощность 14 ГВт.

Рисунок 4.1. Принципиальная схема ГЭС:

1–плотина; 2–водохранилище; 3–гидротурбина; 4–водоподводящий канал; 5–гидрогенератор; 6–трансформатор; 7–здание ГЭС; 8–сорозащитная решетка.

В 2015 году в Республике Конго (Заир) начнется реализация проекта возведения крупнейшей в мире электростанции на реке Конго. Итоговая мощность этой ГЭС составит 40 ГВт и ее хватит для удовлетворения потребностей в электроэнергии почти половины Африки. Стоимость проекта «Инга-3» составит 8,5 млрд. долларов США.

В России первые ГЭС появились в дореволюционное время. Суммарная мощность их составляла 16 тыс. кВт, а самая крупная ГЭС имела мощность 1350 кВт.

В 1926 году в Советской России состоялся торжественный пуск первой построенной по плану ГОЭЛРО Волховской ГЭС мощностью 66 МВт при напоре 13,5 м.

В 1949-1950 гг. принимается решение о строительстве мощных ГЭС на Волге, Каме и Днепре. Схема каскада ГЭС на Волге и Каме показан на рисунке 4.2.

Успехи в методах проектирования гидросооружений, освоение новых строительных материалов и передовых методов строительства дали возможность создавать высотные плотины. На реке Вахш в Таджикистане построена грандиозная плотина Нурекской ГЭС высотой в 320 м, более чем на 300 м поднимаются плотины Рогунской и Ингурской ГЭС.

Сегодня крупнейшие ГЭС России находятся на реках Сибири. Самая мощная из них Саяно-Шушенская ГЭС на Енисее имеет 10 агрегатов по 640 МВт. Расчётный напор ее – 245 м, бетонная плотина имеет объём 59,1 млн. м³, равный объёму куба с ребром около 400 м. Расчётный объём водохранилища этой ГЭС равен 31,3 млрд. м³.

Самое большое водохранилище объёмом 170 млрд. м³ имеет Братская ГЭС на Ангаре, общая мощность которой 4500 МВт при напоре 106 м.

Большие водохранилища оказывают негативное влияние на климат регионов, повышая влажность воздуха, что в холодное время года вызывает простудные заболевания и другие болезни.

В 2014 г. были пущены первые 3 блока по 333 МВт на Богучанской ГЭС на Ангаре. с проектной мощностью 3000 МВт.

Рисунок 4.2. Схема Волжско-Камского каскада ГЭС

Гидростанции: 1–Иваньковская; 2–Угличская; 3–Рыбинская; 4–Горьковская; 5–Чебоксарская; 6–Волжская им. Ленина; 7–Саратовская; 8–Волжская им.ХХП съезда; 9–Верхнекамская; 10–Камская; 11–Воткинская; 12–Нижнекамская.

Огромные массы воды оказывают давление на земную кору, что может спровоцировать тектонические изменения и повысить вероятность возникновения землетрясений.

Плотины ГЭС затрудняют или делают невозможным сквозное судоходство по рекам, нарушают веками сложившиеся пути для нереста ценных пород рыб.

Сооружение ГЭС требует больших капиталовложений и длительных сроков строительства.

Однако практически бесплатный первичный энергоресурс – вода и поэтому низкая себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС, делают их привлекательными и являются причиной строительства новых ГЭС, в том числе и небольшой мощности.

Малые ГЭС мощностью менее 2 МВт не требуют больших водохранилищ и плотин, могут строиться на небольших реках и при современном уровне автоматизации способны работать без обслуживающего персонала. Малые ГЭС не оказывают вредного влияния на окружающую среду. В Швеции, например, где гидроресурсы освоены почти полностью, работает более 1000 ГЭС, из них только 14 имеют мощность более 250 МВт.

В России в 50-е годы прошлого века эксплуатировалось более 6500 малых ГЭС общей мощностью около 330 МВт. С сооружением мощных ГЭС интерес к малым пропал и к 1995 г. в рабочем состоянии сохранилось не более 400 штук. Одна из них мощностью 2,5 МВт до сих пор работает в Москве на канале, спрямляющем русло реки Москва. Экономический потенциал малых рек России оценивается примерно в 360 млрд. кВт·ч.

Гидроэлектростанции имеют ещё одно преимущество – они позволяют аккумулировать энергию. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) перекачиванием воды из нижнего бассейна (рисунок 4.3) в верхний накапливает избыточную энергию, вырабатываемую другими электростанциями, когда спрос на электроэнергию в системе мал, и преобразует потенциальную энергию запасённой воды в электрическую в часы пиковых нагрузок энергосистемы. Гидроагрегаты ГАЭС при этом должны быть обратимыми – т.е. способными работать в режиме насоса и генератора.

Рисунок 4.3. Схема гидроаккумулирующей электростанции

Коэффициент полезного действия ГАЭС, определяемый отношением вырабатываемой энергии при использовании запасенной воды к затрачиваемой в насосном режиме, составляет около 70-75 %. Сооружение ГАЭС позволяет выравнивать суточный график энергосистемы и за счёт снижения пиковой нагрузки, для покрытия которой используются самые неэкономичные электростанции, экономить топливо.

Сегодня ГАЭС работают в 35 странах, общее число их более 300, а установленная мощность превышает 100 ГВт. В России действует только одна Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт. Выбор места сооружения ГАЭС во многом определяется рельефом местности и крутизной берегов реки. Самый большой перепад высот, равный 1260 м, между верхним искусственным бассейном и руслом реки имеет одна из ГАЭС Италии. ГАЭС при строительстве требуют гораздо меньше бетона и в несколько раз дешевле аналогичных по мощности ГЭС.

Контрольный тест

1. От чего зависит вырабатываемая мощность ГЭС?

а) от объёма воды в водохранилище,

б) от приточности,

в) от расхода воды через гидроагрегаты.

2. Как изменяется отметка ГВБ, если приточность больше расхода воды? а) растёт, б) не меняется, в) снижается.

3. Сколько электроэнергии в МВт·ч вырабатывает ГЭС за 5 час при напоре H=20 м, Q=100 м³/с и h=80%?

а) 16, б) 80, в) 800, г) 160.

4. Сколько ГЭС работает на Волге?

а) 12, б) 8, в) 9.

5. Каков ориентировочный секундный расход воды в куб. метрах через гидроагрегат Саяно-Шушенской ГЭС при полной нагрузке его? а) 300, б) 150, в) 400.

6. Назначение ГАЭС?

а) выравнивание суточного графика нагрузки,

б) снижение нагрузки ТЭС в ночные часы,

в) увеличение нагрузки ТЭС в часы суточного максимума.

7. Сколько электроэнергии в МВт·ч выработает ГАЭС, если в насосном режиме она работала 4 часа с нагрузкой 50 МВт?

а) 145, б) 100, в) 50.

8. Ширина реки в нижнем бъефе 30 м, средняя глубина 5 м, скорость течения реки 10 м/с, напор 10 м. Определить ориентировочную мощность ГЭС в МВт.

а) 80, б) 120, в) 200, г) 150.

9. Чем определяется зависимость объёма водохранилища от отметки ГВБ?

а) объёмом плотины, б) руслом реки, в) профилем зоны затопления?

10. ГАЭС имеет КПД 75%. Определить экономию топлива в т у.т., если ГАЭС в насосном режиме расходует 200 МВт·ч, а удельные расходы базисных и пиковых ТЭС, соответственно, равны 320 и 520 г у.т./ кВт·ч.

а) 120; б) 14; в) 1,2; г) 24.

11. Какая река России имеет наибольший запас энергоресурсов?

а) Волга, б) Лена , в) Енисей, г) Кама.

Поиск по сайту: