16)Гидравлические электрические станции

В

I

основе изучения работы гидроэлектростанций, преобразую­щих энергию воды в электрическую энергию, лежит наука, называ­емая гидравликой; она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Основы гидродинамики заложены трудами Даниила Бернулли (1700—1782), который долгое время работал в Петербургской Академии наук.

Полная энергия некоторого объема воды в реке состоит из трех слагаемых: кинетической энергии Eu=mv²/2, где m — масса рассматриваемого объема воды; v — скорость движения воды в реке; потенциальной энергии E'n^mgH, опреде­ляемой положением массы воды (потенциальной энергией положения). Одна и та же масса воды в различных местах русла реки будет иметь различную величину потенциальной энергии. В точке А (рис. 3.30) потенциальная энергия, равная

mgН_и больше,чем потенциальная энергия в точке В — mgH₂ (Н_Х>Н₂). Высота отсчитывается от некоторой горизонтальной поверхности (уровня моря).

Третье слагаемое полной энергии воды — потенциальная энергия, обусловлен­ная статическим давлением внутри воды Е"_п. Существование статического давле­ния связано с действием сил тяжести. Так, жид­кость, находящаяся внутри цилиндра (рис. 3.31), оказывает давление на жидкость, окружающую цилиндр. Силы, действующие на Соковые стенки цилиндра, взаимно уравновешивают друг друга. Сила, приложенная к верхнему основанию F\, оп­ределяется величиной площади основания и высо­той столба жидкости над этим основанием. Сила F2, действующая на нижнее основание, больше си­лы F\ на величину веса жидкости в цилиндре, равного mg (m — масса жидкости в условном цилиндре).

В соответствии с законом Паскаля давление на разно ориентированные, но находящиеся на одинаковой глубине площадки, будет одинаковым. Следовательно, в двух точках, расположенных в жидкости на различной высо­те, будут различные давления, определяемые высотами точек.

В естественных земных условиях на свободную поверхность жидкости (по­верхность реки) давит воздух. Следовательно, давление внутри жидкости скла­дывается из гидростатического и атмосферного. Давление воды намного больше давления атмосферного. На глубине 10 м вода давит на 1 см² с дополнительной к атмосферному давлению силой в 9,8 Н.Вода при движении оказывает давление на препятствия, встречающиеся на ч uvTii; это давление называется динамическим.при переходе потока жидкости из более широкой трубы в узкую динамическое давление возрастает, а статическое падает. Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение — створ, определяется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению Оссеине (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (ниж- °‘_м бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассейнов называется напором

Мощность гидростанции тем больше, чем большее количество воды поступает на лопатки гидротурбины (Q — расход, м³/с) и чем большее давление (Н — напор, м) она имеет. В двигателях гидро­электростанций может быть использована только часть мощности потока воды в створе, зависящая от ряда условий, отраженных

для увеличения напора Н создаются искусственные гидротех­нические сооружения. На равнинных реках напор создается с по­мощью плотины (рис. 3.33, а).

В горных местностях строят специальные обводные каналы, на­зываемые деривационными (рис. 3.33, б).

В гидравлических турбинах происходит преобразование энергии воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если принцип ее работы основан на исполь­зовании динамического давления воды, и реактивной, если исполь­зуется статическое давление при реактивном (см. рис. 3.18) эф­фекте.

В высоконапорной активной турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке (рис. 3.34) полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Давление на выходе насадки равно атмосферному. Регулирование. поступающей в турбину

воды осуществляется спе­циальным маховиком. На крупных станциях такое регулирование произво­дится автоматически.

В нашей стране реки преимущественно равнин­ные, для которых харак­терны большие расходы воды и относительно ма­лые величины напора. В таких условиях предпо­чтительнее использовать реактивные турбины. В реактивной турбине вода по трубе 1, имеющей су­живающуюся часть, поступает па рабочие лопатки 2 (рис. 3.35). Суживающаяся часть трубы называется направляющим аппаратом, в нем происходит частичное преобразование потенциальной энер­гии воды в кинетическую. Дальнейшее преобразование энергии производится на рабочих лопатках, где проходное сечение воды постепенно уменьшается. Для более полного использования энер­гии воды и более удобного обслуживания турбины давление на ло­патках уменьшают до величин, меньших атмосферного. За турбиной устанавливается отсасывающая труба 3, в которой происходит по­вышение давления до атмосферного за счет увеличения сечения.

В современной гидроэнергетике преимущественно используют­ся три типа турбин:

1. радиально-осевая турбина (турбина Френсиса). Лопатки ра­бочего колеса этой турбины имеют сложную кривизну, благодаря чему вода, поступающая на лопатки с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Число ло­паток у таких турбин 10—30. Радиально-осевая турбина выпол­няется на мощности свыше 100 МВт;

2. поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана). Рабочее колесо турбины выполняется в форме винта пропеллера, лопасти которого в зависимости от нагрузки могут поворачиваться для до-

Рабочее колесо мощной гидравлической турбины, установленной на Асуанской ГЭС, показано на рис. 3.36.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты пе¬ременного тока, которая должна соответствовать стандартной. Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах — с большими значения¬ми этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощ¬ности турбин изменяются от нескольких киловатт до 500 МВт, а частота вращения изменяется от 16 2/3 до 1500 мин-1.

График нагрузки некоторого района или города, представляю¬щий собой изменение во времени суммарной мощности всех потре¬бителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни ча¬сы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть генераторов или электростанций должна быть отключена или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Коли¬чество электростанций и их мощность определяются относительно непродолжительным максимумом нагрузки потребителей. Это при¬водит к недоиспользованию оборудования и к удорожанию энерго¬систем. Так, снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрас¬танию себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 30—- 35%.

Анализ тенденций в потреблении электрической энергии пока¬зывает, что в дальнейшем неравномерность потребления будет уве¬личиваться по мере роста благосостояния населения и связанного с ним увеличения коммунально-бытовой нагрузки, по мере повы¬шения электровооруженности труда, уменьшения количества ноч¬ных смен. Сокращение числа рабочих дней в неделе также способ¬ствует повышению неравномерности потребления электроэнергии. Такое положение характерно не только для нашей страны. В боль¬шинстве стран Западной Европы неравномерность в потреблении электроэнергии такова, что в течение часа изменение нагрузки до¬стигает 30% от максимальной мощности и в перспективе также ожи¬дается увеличение неравномерности. Кардинально изменить харак¬тер потребления электроэнергии очень трудно, так как он зависит от установившеюся ритма жизни людей и ряда не зависящих от

людей объективных обстоятельств. Например, нельзя изменить того факта, что электрическое освещение нужно в вечерние часы с наступлением темноты.

Энергетики по возможности принимают меры по выравниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится диффе¬ренцированная стоимость электроэнергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки энергосистемы, то и стоимость ее устанавливается выше. Это повышает заинтересо¬ванность потребителей в таких перестройках своей работы, кото¬рые бы способствовали уменьшению электрической нагрузки в мо¬менты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возмож¬ности выравнивания потребления электроэнергии невелики. Следо¬вательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электро¬станций.

В промышленно развитых странах большая часть электроэнер¬гии (80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, для ко¬торых наиболее желателен равномерный график нагрузки. Агрега¬ты тепловых станций плохо приспособлены к регулированию мощ¬ности. Обычные* паровые котлы и турбины на этих станциях до¬пускают изменение нагрузки всего лишь на 10—15%.

Периодические включения и отключения тепловых станций не позволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности этих процессов. На запуск тепловой станции в лучшем случае требуются часы. Кроме того, работа крупных теп¬ловых станций в резко переменном режиме нежелательна вследст¬вие повышенного расхода топлива, повышенного износа теплоси¬лового оборудования и, следовательно, снижения его надежности. Нужно учесть также, что ТЭС с высокими параметрами пара име¬ют некоторые минимальные технически возможные мощности, со¬ставляющие 50—70% от номинальной мощности оборудования. Все сказанное относится не только к обычным ТЭС, но и к атомным электрическим станциям. Поэтому в настоящее время и в ближай¬шем будущем дефицит в маневренных мощностях («пики» нагруз¬ки) покрывается ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля может быть произведен за 1—2 мин. Однако в европейской части СССР степень использованных экономически эффективных гидро¬энергоресурсов уже превысила 40%. Оставшаяся неиспользованной часть ресурсов относится к периферийным районам и небольшим водотокам.

Регулирование мощности ГЭС производится следующим обра¬зом. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагруз¬ки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет родохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пи¬ков включаются агрегаты станции и увеличивается на необходимую величину их мощность.