Принцип роботи ГЕС, її потужність і виробіток енергії

2.2 Принцип роботи ГЕС, її потужність і виробіток енергії

На ГЕС механічна енергія води перетворюється у електричну. Вода під дією сили тяжіння перетікає із верхнього у нижній б’єф і обертає робоче колесо турбіни, на одному валу з яким знаходиться ротор генератора електричного струму. Гідротурбіна разом із гідрогенератором називається гідроагрегат. У турбіні гідравлічна енергія води перетворюється у механічну енергію обертання робочого колеса разом із ротором генератора. У генераторі механічна енергія обертів перетворюється у електричну.

Для роботи ГЕС необхідна витрата води (Q) і напір (Н).

Потужність гідроагрегата (Na) і ГЕС в цілому (NГЕС) визначаються за залежностями:

Na=9,81QHhтhг; NГЕС=zaNa, [кВт];

виробіток електроенергії рівний:

 [кВт·год],

де hт i hг – коефіцієнти корисної дії, відповідно, турбіни і генератора;

za – кількість гідроагрегатів ГЕС.

2.3 Греблевий спосіб створення напору

Суть створення греблевого напору полягає у тому, що річка у створі перегороджується підпірною спорудою (глухою та водозливною греблями, русловою ГЕС та ін.), за рахунок чого створюється водосховище, різниця рівнів якого і рівнів у нижньому б’єфі створює напір (рис. 2.2).

Характерними відмітками водосховища є:

- нормальний підпертий рівень (ÑНПР) – це верхня межа рівня води, при якому ГЕС і інші споруди гідровузла працюють тривалий час із збереженням нормальних запасів надійності, передбачених технічними умовами;

- рівень мертвого об’єму (ÑРМО) – мінімальний рівень водосховища, до якого можливе його спрацювання;

- форсований підпертий рівень (ÑФПР) – максимальний можливий рівень води за умови надійності споруд при проходженні паводкових витрат.

Об’єм води, який заключний між ÑНПР і ÑРМО називається корисним об’ємом водосховища (Wкор), а об’єм води, закумульований нижче ÑРМО – мертвим об’ємом (WМО). Об’єм води, який заключний між ÑФПР і ÑНПР називається резервним об’ємом водосховища (Wрез).

Різниці відміток верхнього і нижнього б’єфів створюють напори. Розрізняють статичні (Нст) та корисні (Нкор) напори.

Нст,макс=ÑНПР-ÑНБмін, Нст,мін=ÑРМО-ÑНБQгес.

Корисні напори ГЕС менші від статичних на величину втрат напору (hw), яка у залежності від компонування гідровузлів приймається у межах 5¸15 % (для руслових ГЕС 5 % від НСТ, для пригреблевих – 10% від НСТ, для дериваційних – 15 % від НСТ):

Нкор=Нст-hw, hw=(1,05...1,15)Hст.

2.4 Дериваційний спосіб створення напору

На гірських річках із значним похилом концентрація напору, як правило, здійснюється по дериваційній схемі. При цьому напір створюється не греблевим способом, а за рахунок напірної /тунелі/ чи безнапірної /лотки, канали і т.п./ деривації.

У дериваційній схемі виділяють головний вузол споруд, деривацію та станційний вузол споруд.

Пригреблево-дериваційна схема має переваги при відповідних топографічних та інженерно-геологічних умовах. Так, на гірській річці може бути побудована порівняно висока гребля, яка дозволяє використовувати частину падіння річки і створити водосховище для регулювання витрат. Далі із верхнього бєфу вода може бути відведена у деривацію, яка дозволяє використовувати падіння річки нижче греблі.

У результаті гребля і деривація разом працюють на створення напору.

2.5 Основні типи будівель ГЕС

Будівля ГЕС призначена для розташування у ній гідроагрегатів і допоміжного обладнання. Складається будівля ГЕС, як правило, із агрегатного блоку, верхньої будівлі і монтажної площадки.

Гідроелектричні станції класифікуються:

- за схемою концентрації напору: руслові, коли будівля ГЕС входить до складу водонапірного фронту і безпосередньо сприймає напір; пригреблеві, коли будівля ГЕС розташована за греблею і не сприймає напорів і дериваційні, коли напір створюється за рахунок напірної чи безнапірної деривації;

- за способом скидання води із верхнього у нижній б’єф: не суміщені з водоскидами, коли надлишки води скидаються через водозливну греблю і суміщені з придонними чи поверхневими водоскидами;

- за типом верхньої будівлі ГЕС: закриті (з внутрішнім розміщенням підйомно-транспортного обладнання); напіввідкриті (низька машинна зала із зйомною кришкою і основний кран розташований за її межами) і відкриті (машинна зала відкрита, генератор закритий зйомним ковпаком, основне і допоміжне обладнання обслуговується козловим або мостовим краном);

- за положенням відносно поверхні землі: наземні, напівпідземні і підземні;

- в залежності від положення осі агрегату: з горизонтальними агрегатами (низьконапірні при Н до 10¸15 м) і з вертикальними гідроагрегатами.

2.6 Гідроакумулюючі електростанції

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) почергово виконують функції насосної (НС) та гідроелектричної станцій (ГЕС).

В години зменшення навантажень енергосистеми, наприклад, вночі, ГАЕС працює як насосна станція, споживаючи потужність у насосному режимі NHP і перекачує (акумулює) воду подачею QH у верхній б’єф (ВБ), розташований вище по рельєфу.

Вранці і ввечері, коли електроспоживання в енергосистемі зростає, вода із верхнього б’єфу витратою QT проходить через турбіни у нижній б’єф (НБ). В ці години ГАЕС працює як гідроелектростанція, видаючи на відкритий розподільчий пристрій (ВРП) потужність у турбінному режимі NTP, яка по лініях електропередач (ЛЕП) надходить до споживача.

По схемі акумулювання розрізняють:

- ГАЕС простого акумулювання – без притоку води у верхній б’єф, коли він виконаний у формі штучної водойми;

- ГЕС-ГАЕС змішаного типу – коли є притік води у верхній б’єф, достатній для його спрацювання додатковими блоками ГЕС у турбінному режимі;

- ГАЕС у схемі перерозподілу стоку–коли будівлі насосної і гідроелектричної станцій розміщені роздільно.

По тривалості акумулювання ГАЕС бувають добового, тижневого і сезонного акумулювання.

По схемі гідросилового обладнання розрізняють ГАЕС чотири-, три- і двомашинної схеми компонування гідроагрегатів.

На даний час в Україні експлуатуються Київська і Теребля-Рікська ГАЕС, будуються дві гідроакумулюючі електростанції: Новодністровська (р. Дністер) і Ташлицька (р. Пд. Буг в Південноукраїнському енергокомплексі). Заплановано будівництво Канівської ГАЕС на р. Дніпро.

2.7 Припливні електростанції

Великий енергетичний потенціал мають моря і океани. Вони створюють енергію хвиль і припливів, градієнту солоності, хімічних зв’язків газів та ін.

Припливні електростанції (ПЕС) використовують коливання припливів і відпливів морів та океанів, які відбуваються двічі на добу. Амплітуда коливань припливів змінюється від максимальної в сигізію до мінімальної у квадратури.

Найбільші припливи на Землі спостерігаються у затоці Фанді (Канада, 19 м), у затоках Брістоль (Великобританія) і Сен-Мало (Франція) – до 14 м, на північно-західному березі США - до 10 м. З країн СНД найбільший потен-ціал енергії припливів має Росія. Висота припливів становить: у Пеньжинській затоці – до 13,2 м, на Охотському і Білому морях – до 10 м, біля Мурманська – до 7,2 м.

Світовий енергопотенціал припливів оцінюється в 1 млрд. кВтгод, що у 2,5 рази більше виробітку електроенергії усіх існуючих ГЕС.

За умовами роботи розрізняють ПЕС одностороннього руху води, двостороннього руху води і ПЕС з підкачкою води насосами.

У 1963-68 рр. на Баренцовому морі побудовано експериментальну Кислогубську ПЕС потужністю NПЕС=400 кВт, а у 1966 р у Франції побудовано ПЕС Ранс (NПЕС=240 МВт).

На даний час проектуються Кольська і Мезенська ПЕС (Росія), ПЕС Фанді і Коубквід (Канада), а також ПЕС у Індії, Північній та Південній Кореї, Австралії, Аргентині.

Моря України мають низький потенціал енергії припливів. Крім того, береги Чорного та Азовського морів є курортною зоною з розвинутою інфраструктурою, і розвиток даної території в напрямку рекреації є більш перспективним. До недоліків електростанцій, що використовують енергію морів і океанів відносять те, що вони завдають значної шкоди морській флорі і фауні.