Гидроэнергетика

Создание напора и основное оборудование ГЭС

Для создания напора на ГЭС могут использоваться следующие схемы:

  • плотинная, при которой напор создается плотиной;
  • деривационная, когда напор создается с помощью деривации (отведения, отклонения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;
  • комбинированная, в которой напор создается плотиной и деривацией.

Плотинная схема предусматривает создание подпора уровня водотока путем сооружения плотины. Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

В деривационной схеме отвод воды из естественного русла осуществляется по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Уровень воды в конце такого водовода оказывается выше уровня воды в реке, и эта разность уровней является напором ГЭС. Чем больше уклон реки и длиннее деривация, тем больший напор может быть получен. Деривация может быть безнапорной — канал, лоток, безнапорный туннель или напорной — напорный туннель, трубопровод. В практике встречаются смешанные схемы ГЭС: плотинно-деривационные, в которых напор создается как плотиной, так и деривацией, и смешанные деривационные, в которых имеются и напорные и безнапорные водоводы.

Деривационные ГЭС сооружают на горных реках и предгорных участках, где имеются значительные уклоны. С помощью деривации могут быть получены напоры 1000 м и более.

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и генераторы.

Гидравлическая турбина преобразует энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. В зависимости от принципа преобразования энергии гидротурбины разделяются на активные и реактивные.

Активные турбины используют кинетическую часть энергии потока (скоростной напор).

Реактивные турбины (рис.4.1) используют преимущественно потенциальную энергию потока (энергия давления).

Реактивная осевая турбина
Рис. 4.1. Реактивная осевая турбина

На ГЭС турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при больших напорах — с большими значениями этого коэффициента.

Объединение «ИНСЭТ» (г. Санкт-Петербург) выпускает гидроагрегаты для МГЭС единичной мощностью до 5000 кВт и для микро-ГЭС мощностью от 3 до 100 кВт. Гидроагрегаты предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками и выпускаются с пропеллерными, радиально-осевыми и ковшовыми турбинами. В комплект поставки входят, как правило, турбина, генератор и система автоматического управления гидроагрегатом.

АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) поставляет гидротурбины мощностью 15000 для МГЭС, а также производит ремонт и восстановление отдельных узлов, монтаж и наладку оборудования.

Гидроэнергетическое оборудование для МГЭС разрабатывает НПО «РАНД» (г. Санкт-Петербург). Созданы гидротурбины, позволяющие эффективно использовать низкие напоры. Мощность таких установок составляет от 6–20 до 2500 кВт.

В последние годы разработаны погружные свободнопроточные гидротурбины, использующие для получения мощности скорость течения воды в водотоках и не требующие возведения плотин. Для размещения погружных гидротурбин можно использовать водотоки, имеющие достаточную ширину и глубину, а также скорость течения воды порядка 3 м/с.

Переносные погружные гидротурбины могут найти широкое применение при необходимости в быстром получении электроэнергии с минимальными временными и финансовыми затратами.

Микро-ГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования (рис.4.2).

Микро-ГЭС
Рис. 4.2. Микро-ГЭС

Микро-ГЭС отличаются простотой. Они надежны, экологичны, компактны, быстро окупаемы. В первую очередь микро-ГЭС востребованы как источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств; мельниц, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач (а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микро-ГЭС).

Большое число микро-ГЭС может быть построено на гидроузлах водоснабжения и ирригации. В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода гасителей энергии (напора) могут быть построены микро-ГЭС. При расходах воды в пределах от 5 до 100 л/с их мощность может достигать от 20 до 200 кВт.

Интересные конструктивные решения реализуют некоторые зарубежные фирмы. На рис.4.3 представлена конструкция надувной водосливной плотины, предлагаемой фирмой «Dyrhoff». Вместо традиционных для плотин материалов: бетона, стали и дерева фирма использует «пузырь» из армированной резины. Для создания напора плотину надувают воздухом или наполняют водой с давлением, на 20–30% большим напора (h).

Надувная водосливная плотина
Рис. 4.3. Надувная водосливная плотина

На бетонном основании «пузырь» удерживается с помощью анкеров. Компрессор или насос связаны со внутренней полостью плотины через трубопровод, расположенный в бетонном основании. Удобство такой конструкции заключается в том, что, при необходимости можно быстро и легко выпустить воздух из полости и «пузырь» опустится на дно, позволяя воде беспрепятственно проходить вниз по течению. Это свойство плотины наилучшим образом может быть использовано на реках с быстро нарастающими многоводными паводками для транзитного пропуска воды. Возможно применение этих плотин при сезонном пропуске рыбы и льда. Достоинствами этой плотины по данным фирмыпроизводителя является низкий уровень стоимости, простота работы и минимальные эксплуатационные расходы.

Плотина с экраном Coanda
Рис. 4.4. Плотина с экраном Coanda

Другим, не менее интересным проектом является водозаборная плотина с экраном Coanda (рис.4.4). На сегодня более 40 водозаборов малых ГЭС в Европе оборудованы такими экранами. Эти экраны обладают свойством самоочищения и поэтому требуют незначительных эксплуатационных расходов. По существу, водозабор состоит из водосливной плотины, через гребень которой переливается вода и на низовой стороне которой располагается наклонная профилированная поверхность экрана, выполненного из коррозионностойкого материала. Через решетчатую структуру экрана вода проваливается вниз и попадает в трубопровод или канал, подающий воду на ГЭС. За счет специальной конфигурации прутьев решетки плавающий мусор, наносы и рыба скатываются по экрану вниз с некоторой частью воды. Экран Coanda способен устранить 90% частиц размером от 0,5 мм.

К ускоренному развитию малой гидроэнергетики могут подтолкнуть аварии, участившиеся в энергосистеме страны, поскольку гидроагрегаты могут быть источниками автономного питания. Другой фактор ускорения — экологические требования к вырабатываемой энергии, что стало еще более актуальным в связи с введением в действие Киотского протокола.

Сегодня малые ГЭС (микро-ГЭС) получили уже распространение во многих странах мира. Они характеризуются большой часовой наработкой, значительными конструктивными запасами и высокой надежностью, не требуют постоянного присутствия обслуживающего персонала. Экологические последствия от строительства и эксплуатации МГЭС минимальны. Малая гидроэнергетика практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу электроэнергии потребителю. МГЭС вырабатывают дешевую электроэнергию, и срок их окупаемости не превышает 3–5 лет.