Напоры гидроэлектрических станций

Напоры гидроэлектрических станций определяются в соответствии с типами ГЭС. Разность отметок верхнего и нижнего бьефов называется статическим напором, м:

Разность удельных энергий потока в сечении 1— 1 верхнего бьефа до входа в энергетические водоводы и в сечении 2—2, расположенном в нижнем бьефе заотсасывающими трубами гидротурбин, называется напором брутто, м (рис. 5.4):

Разность напора брутто и гидравлических потерь в подводящем и отводящем водоводах h_пот ( по длине и местные) называется напором нетто, м:

Поскольку разность кинетических энергий обычно невелика, в большинстве случаев для практических расчетов напор, используемый турбинами ГЭС, м, принимается равным

Рис. 5.4. Схемы определения напоров ГЭС: а — русловая ГЭС; б— деривационная ГЭС; в — ГЭС с ковшовыми турбинами

Потери напора h_пот обычно составляют 2—5% H_ст.

При использовании на ГЭС активных ковшовых гидротурбин с выпуском воды из сопла в атмосферу имеется еще дополнительная потеря напора (см. рис 5.4, в), равная разности отметок оси струи и уровня нижнего бьефа. Напор турбин в этом случае определится выражением

Гидротурбины

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и генераторы.

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины разделяют на два класса: активные и реактивные. Турбина называется активной, если используется только кинетическая энергия потока, и реактивной, если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте.

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые (рис. 5.5, а).

В ковшовой активной турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке — сопле — полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти (рис. 5.5, а)

Рис. 5.5. Общий вид рабочих колес гидротурбин: а —ковшевое; б — радиально-осевое; в — пропеллерное; г— поворотно-лопастное; д— двухперовое; е — диагональное

Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движе­ния. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию вращения колеса турбины.

Если скорость движения воды, вытекающей из турбины, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механическую энергию турбины. Внутри сопла расположена регулирующая игла (рис. 5.5, а) перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

В реактивной гидравлической турбине на лопастях рабочего колеса преобразуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механическую энергию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо турбины, обладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию рабочего колеса турбины.

За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия центробежных сил превращается в механическую энергию турбины. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса. Различные конструкции рабочих колес реактивных турбин показаны на рис. 5.5, б— е.

У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины используют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м, В настоящее время созданы уникальные радиально-осевые турбины мощностью 700 МВт.

Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки КПД резко уменьшается.

У поворотно-лопастных гидротурбин в отличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы для поддержания высокого значения КПД.

Двухперовые турбины имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Широкое применение их огра­ничено конструктивными сложностями. Сложная конструкция свойственна также диагональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красно­ярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудова­ны Куйбышевская, Волгоградская, Каховская и Кременчугская ГЭС и др.

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 переменного 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 значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения тур­бин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения — от 16 ²А до 1500 мин'¹.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. КПД таких агрегатов выше (95—96%) благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания. При сооружении ГЭС обычно решают комплекс народнохозяйственных задач, в который помимо выработки электрической Энергии входят регулирование стока воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых массивов, развитие энергоемких производств, использующих местное сырье, и т.д. В настоящее время на равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например на Братской ГЭС, построенной на Ангаре, и наАсуанской ГЭС, построенной в Египте.

На рис. 5.6 показана Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисее, у которой высота плотины составляет 240 м и вода по водоводам поступает к 10 турбинам, вращающим электрические генераторы мощностью по 640 МВт каждый.

Рис. 5.6. Общий вид Саяно-Шушенской ГЭС (приплотинного типа с напором 240 м, мощностью 640 МВт)

ЭНЕРГИЯ И МОЩНОСТЬ ГЭС

Энергия, используемая ГЭС, может быть определена из (5.3) путем замены Я^ на напор Япо (5.6) или по (5.7). Однако на ГЭС выработку энергии и мощность принято измерять на выводах гид­рогенератора, поэтому энергия и мощность ГЭС будут определять­ся с учетом коэффициентов полезного действия гидротурбины и электрогенератора.

Мощность на валу гидротурбины (кВт) определяется как

Где Q т— расход воды через гидротурбину, м³/с; H— напор турбины с учетом потерь по (5.6) или (5.7); η_т—коэффициент полезного действия (КПД) турбины (у современных крупных гидротурбин η_т = 0,93—0,96). Электрическая мощность гидрогенератора

где η_ген— КПД гидрогенератора, обычно равный 0,97.

Регулирование мощности агрегата ГЭС производится изменением расхода воды, проходящей через гидротурбину. Мощность ГЭС в /-и момент времени равна

где 0_Г/, Я_п., л_п — расход ГЭС, напор ГЭС и КПД ГЭС в /-й мо­мент времени.

Выработка электроэнергии ГЭС (кВт • ч) за период времени Г(ч) определяется как

В качестве расчетного периода Т рассматриваются час, сутки, неделя, месяц, год.

Годовая выработка электроэнергии ГЭС не является постоян­ной величиной, а изменяется в зависимости от объема стока, по­ступившего в водохранилище, степени его регулирования и усло­вий эксплуатации ГЭС. При годичном регулировании годовая выработка электроэнергии ГЭС, как правило, существенно колеблется — в основном за счет энергоотдачи в паводковый период.

При многолетнем регулировании неравномерность выработки электроэнергии по годам бывает незначительной.

Очевидно, что электрическая мощность, подведенная к потре-ителю, меньше мощности, производимой гидроэлектростанци­ей, Лрэс- Сумма всех потерь при передаче электрической мощно­ сти от ГЭС до потребителя и при многократных преобразованиях ее в повышающих и понижающих трансформаторах можно оце­нить при помощи КПД системы передачи и преобразований т)_пер. бычно Т1 составляет 0,92—0,93. Установленная мощность ГЭС ЛГ_уст определяется как сумма номинальных (паспортных) мощностей установленных на ней нераторов. Она соответствует максимальной мощности, которую может развить гидроэлектростанция.