Тема 5. Гидравлические электрические станции

5.1. Общие сведения.

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.

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.

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 %.

Сегодня крупнейшие ГЭС России находятся на реках Сибири. Самая мощная из них Саяно-Шушенская ГЭС на Енисее.

Гидроэлектрические станции – это высокоэффективные источники электроэнергии. В большинстве случае ГЭС представляют собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие нужды электроэнергетики и других отраслей народного хозяйства: мелиорации земель, водного транспорта, водоснабжения, рыбного хозяйства и т.д.

5.2. Классификация ГЭС.

Гидроэлектрическая станция – это комплекс сооружения и оборудования, посредством которых энергия водяного потока преобразуется в электрическую энергию. Она состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание сосредоточенного напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором вод в электрическую энергию.

По напору ГЭС подразделяются на:

1. высоконапорные (более 80м);

2. средненапорные (25-80м);

3. низконапорные (до 25м).

Гидроэлектростанции подразделяются в зависимости от вырабатываемой мощности на следующие типы:

1) мощные – вырабатывают от 25МВт и выше;

2) средник – до 25МВт;

3) малые ГЭС – до 5МВт

5.3. Принцип действия ГЭС приплотинного типа.

Совокупность гидротехнических сооружений, энергетическое и механическое оборудование принято называть гидроэнергетической установкой (ГЭУ).

Различают следующие виды гидроэнергетических установок:

- гидроэлектростанции (ГЭС);

- насосные станции (НС);

- гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

- приливные электростанции (ПЭС).

Основными сооружениями ГЭС на равнинной реке являются:

1) плотина, создающая водохранилище и сосредоточенный перепад уровней, т.е. напор;

2) здание ГЭС, в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование.

Вода под действием силы тяжести по водоводам движется из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором электрического генератора. Вместе они образуют гидрогенератор. В турбине гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую.

5.4. Преимущества и недостатки гидроэлектростанций.

В сравнении с тепловыми и атомными электрическими станциями гидроэлектростанции имеют ряд преимущества. Во-первых, они лучше приспособлены для автоматизации и требуют меньшего количества обслуживающего персонала. Для сравнения продемонстрируем следующие средние значения удельной численности персонала станций различного вида, необходимой для выработки 1 млн кВт установленной мощности: для ГЭС – 300, для ТЭС – 1400, для АЭС – 1800 человек. Во-вторых, вода – практически бесплатный энергоресурс. Малые ГЭС мощностью менее 2МВт не требуют больших водохранилищ и плотин, могут строиться на небольших реках и при современном уровне автоматизации способны работать без обслуживающего персонала. Гидроаккумулирующие электростанции имеют еще одно преимущества – они позволяют аккумулировать энергию.

Принцип работы гидроаккумулирующей электростанции таков, что ГАЭС перекачиванием воды из нижнего бассейна 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. Сооружение ГАЭС позволяет выравнивать суточный график энергосистемы и за счёт снижения пиковой нагрузки, для покрытия которой используются самые неэкономичные электростанции, экономить топливо.

Не смотря на ряд существенных преимуществ гидроэлектростанции имеют некоторые недостатки. К ним можно отнести тот факт, что большие искусственно созданные водохранилища оказывают негативное влияние на климат регионов, повышая влажность воздуха, а в холодное время тем самым вызывая простудные заболевания.

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.