Схемы использования гидравлической энергии

В большинстве случаев ГЭС представляют собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие нужды электроэнергетики и других отраслей народного хозяйства: мелиорации земель, водного транспорта, водоснабжения, рыбного хозяйства и пр.

Наиболее эффективное использование энергии водотока для получения электрической энергии обеспечивается при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. Для использования падения уровней рек, распределенных по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада, т. е. регулированию водного стока, что может быть осуществлено различными способами.

Различают три основные схемы использования водотока:

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

Плотинная схема (рис. 1) 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 гидроузлах, осуществленных по плотинной схеме создания напора, различают русловые и приплотинные здания станций ГЭС.

ГЭС с русловым зданием характеризуется тем, что ее здание входит в состав водонапорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Конструкция здания в этом случае должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. Размеры здания, в частности его высота, определяются напором H, поэтому ГЭС с русловыми зданиями строятся при сравнительно небольших напорах — до 40 м (каскады Камских, Волжских ГЭС и др.).

ГЭС с приплотинным зданием характеризуется тем, что ее здание располагается за плотиной (рис. 2) и не воспринимает давления воды. На крупных современных гидроэлектростанциях такого типа напор доходит до 300 м (Красноярская ГЭС).

Деривационная схема (рис. 3) позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке; эта разность уровней и является напором гидроэлектростанции. В зависимости от типа искусственных водоводов (деривации) различают ГЭС с напорной и с безнапорной деривацией (см. рис. 3). На рис. 1, 3 введены обозначения: 1−1 — сечение верхнего бьефа; 2−2 — сечение нижнего бьефа.

Рис. 3. Схемы создания напора на деривационной ГЭС

При безнапорной деривации отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом. Для забора воды в деривационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает через водоприемник. Плотина, водоприемник, в ряде случаев и другие сооружения (водосброс, отстойник и др.) образуют так называемый головной узел деривационной гидроэлектростанции. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам подается к турбинам в здание станции. Прошедшая через турбины вода отводится обратно в русло реки по отводящему каналу. Напорный бассейн, трубопроводы, здание станции и другие сооружения, примыкающие к ним, образуют станционный узел.

Вода из верхнего бьефа (ВБ) по напорному водоводу подводится к турбине и из нее выпускается в нижний бьеф (НБ). В турбине энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения вала, от которого приводится во вращение ротор электрического генератора (гидрогенератора), где механическая энергия преобразуется в электрическую. Электрическая энергия по линиям высокого напряжения передается в районы потребления, иногда на расстоянии 1000 км и более. Турбина, соединенная с генератором, называется агрегатом ГЭС, или гидроагрегатом. Характерными его параметрами являются напор (он определяется в основном разностью отметок ВБ и НБ) и мощность. Напоры на различных ГЭС изменяются в широком пределе — от нескольких метров (низконапорные ГЭС) до 700 — 1000 м и более (высоконапорные) Мощность гидроагрегата может составлять несколько сотен киловатт (малые агрегаты, малые ГЭС) и достигать 600 — 700 тыс. кВт и даже более (крупные, сверхмощные гидроагрегаты).

На рис. 3, б показана ГЭС с напорной деривацией в виде напорного туннеля. В ряде случаев для защиты деривационных напорных водоводов от перегрузок избыточным внутренним давлением может понадобиться строительство специального сооружения — уравнительного резервуара.

Создание или увеличение сосредоточенного перепада уровней воды можно осуществить также посредством отводящего деривационного водовода, продольный уклон которого меньше уклона естественного русла. В этом случае здание ГЭС располагается в глубокой выемке или под землей в удалении от нижнего сечения используемого участка водовода.

Сооружение деривационных ГЭС оказывается целесообразным в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малых расходах воды; тогда при небольшой протяженности и малой площади сечения деривационного водовода можно получить большой напор (1000 м и более) и соответственно большую мощность.

На рис. 4, а показана схема приплотинной ГАЭС, позволяющая реверсировать водоток путем перекачки воды из нижнего бьефа в верхний бьеф.

По аналогии с ГЭС, работающими в активном режиме, ГАЭС подразделяются на станции приплотинного типа и станции деривационного типа. Первые используют перепад уровней, создаваемый плотиной, вторые — перепад между двумя бассейнами, соединенными наземными или туннельными водоводами. В условиях ГАЭС приплотинного типа могут быть эффективными, как правило, только при совместной установке обратимых гидроагрегатов с агрегатами прямого действия, т. е. в виде ГЭС — ГАЭС, или при использовании для насосного аккумулирования водохранилищ, созданных для других народнохозяйственных задач.

Значительный интерес представляет использование энергии приливов и отливов на побережьях морей и океанов. Схема создания напора на приливной гидроэлектростанции (ПЭС) приведена на рис. 4, б.

Амплитуда колебания уровня воды, связанная с положением луны на небосклоне, зависит от географической широты и характера берега континента. Так, около Магелланового пролива зарегистрирована амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки — 21 м. Широкое применение ПЭС нашли в Японии, где их число достигло 43.

Энергетические ресурсы морских приливов и отливов на Барцевом и Белом морях, возможные к использованию в России, оцениваются примерно в 40 млрд. кВ•ч, но прежде чем использовать их, необходимо преодолеть трудности, связанные со строительством ПЭС (высокая стоимость и пульсирующий характер выдачи мощности). В закрытых морях (Каспийском, Черном) эффекты приливов и отливов практически незаметны.