Гидроэлектростанция — Википедия с видео // WIKI 2

Принцип действия гэс. основные сооружения и оборудование гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция ? это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

Гидроэлектростанции являются составной частью гидроузла — комплекса гидротехнических сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов в интересах народного хозяйства: получения электрической энергии, ирригации, водоснабжения, улучшения условий судоходства, защиты от наводнений, рыбоводства и др.

Мощность гидравлического потока зависит от расхода и напора. Скорость потока воды в реке изменяется по ее длине с изменением сечения русла и гидравлического уклона. Для концентрации мощности и сосредоточения напора реки в каком-либо одном месте возводят гидротехнические сооружения: плотину, деривационный канал.

Плотина, перегородив реку, образует водохранилище, достигающее иногда таких больших размеров, что его называют морем. Таковы, например, Волгоградское, Цимлянское море, простирающиеся более чем на 100 км. Поверхность воды перед плотиной называется верхним бьефом, а за плотиной — нижним бьефом.

Водосбросные сооружения перепускают воду из верхнего бьефа в нижний во избежание превышения максимального расчетного уровня воды в период паводка, сбрасывает лед, шугу и т.п.

Если река судоходна, то к плотине примыкают шлюзы (судоподъемники) с подходными каналами для пропуска судов и плотов через гидроузел, перевалки грузов и пересадки пассажиров с водного на сухопутный транспорт и пр.

Для обеспечения отбора и подачи воды неэнергетическим потребителям в состав гидроузла входят водоприемные сооружения и насосные станции.

Рыбохозяйственные сооружения — это рыбоходы и рыбоподъемники для пропуска через гидроузел ценных пород рыб к местам постоянных нерестилищ, рыбозащитные сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения. Иногда рыбу пропускают через шлюзы в процессе шлюзования судов.

Для связи объектов гидроузла между собой, соединения их с сетью государственных автомобильных и железных дорог, а также для пропуска этих дорог через сооружения гидроузла строят транспортные сооружения: мосты, дороги и др.

Для выработки электроэнергии и ее распределения потребителям в состав гидроузла входят различные энергетические сооружения. К ним относятся: водоприемные устройства и водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанций с гидротурбинами, гидрогенераторами и трансформаторами; вспомогательное механическое и подъемно — транспортное оборудование; пульт управления; открытые распределительные устройства, предназначенные для приема и распределения энергии.

Принцип действия ГЭС заключается в следующем: плотина образует водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды. Вода входит в водоприемник и, пройдя по напорному водоводу, вращает гидротурбину, которая приводит в действие гидрогенератор. Выходное напряжение гидрогенераторов повышается трансформаторами для передачи на распределительные подстанции и затем потребителям.

Напор создаётся концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Деривацией в гидротехнике называют совокупность сооружений, осуществляющих отвод воды из реки, водохранилища или другого водоёма, транспортировку её к станционному узлу ГЭС, насосной станции, а также отвод воды от них.

Различают деривацию безнапорную и напорную. Напорная деривация — трубопровод, напорный туннель, применяется, когда колебания уровня воды в месте её забора или отвода значительны. При малых колебаниях уровня может применяться как напорная, так и безнапорная деривация.

Тип деривации выбирается с учётом природных условий района на основании технико-экономического расчёта. Протяжённость современных деривационных водоводов достигает нескольких десятков километров, пропускная способность более 2000 м3/сек. Основное энергетическое оборудование размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции — гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции.

Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания.

При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию. По установленной мощности различают мощные (свыше 250 МВт), средние (до 25 МВт) и малые (до 5 МВт).

По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации — до 1500 м.

Одними из самых важных составляющих ГЭС считаются гидрогенераторы и гидротурбины.

Гидротурбины.

Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала.

По принципу действия гидротурбины делят на реактивные (напороструйные) и активные (свободноструйные). Вода к рабочему колесу поступает либо через сопла (в активных гидротурбинах), либо через направляющий аппарат (в реактивных гидротурбинах).

Наиболее распространённой разновидностью активной гидротурбины является ковшовая турбина. Ковшовые турбины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространенных реактивных гидротурбин (радиально-осевых, поворотно-лопастных), у которых рабочее колесо находится в потоке воды.

В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. Вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу.

После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего использования энергии.

Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более), при расходах до 100 м³/сек. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при больших напорах их использование безальтернативно.

Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично. Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды.

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) — реактивная турбина. В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Применяют при напорах до 600 м. Мощность до 640 МВт.

Основным преимуществом турбин данного типа является самый высокий оптимальный КПД из всех существующих типов. Недостаток — менее пологая рабочая характеристика, чем у поворотно-лопастной гидротурбины.

Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) — реактивная турбина, лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства.

Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль её оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя.

Диагональная турбина- реактивная турбина, используемая на средних и высоких напорах. Диагональная турбина представляет собой поворотно-лопастную турбину, лопасти которой расположены под острым (45-60°) углом к оси вращения турбины. Такое расположение лопастей позволяет увеличить их количество (до 10-12 штук) и применять турбину на более высоких напорах.

Диагональные турбины применяются на напорах от 30 до 200 метров, конкурируя на низких напорах с классическими поворотно-лопастными турбинами, а на высоких — с радиально-осевыми турбинами. По сравнению с последними, диагональные турбины имеют несколько более высокий КПД, но конструктивно более сложны и более подвержены износу.

Гидрогенератор — электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции. Обычно гидрогенератор представляет собой синхронную явнополюсную электрическую машину вертикального исполнения, приводимую во вращение от гидротурбины, хотя существуют и гидрогенераторы горизонтального исполнения (в том числе капсульные гидрогенераторы).

Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м), чем в первую очередь определяется вертикальное исполнение большинства гидрогенераторов, так как при горизонтальном исполнении становится невозможным обеспечение необходимой механической прочности и жесткости элементов их конструкции.

Гидрогенераторы состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники.

По особенностям конструкции подразделяются на подвесные и зонтичные. У подвесных подпятник располагается над ротором в верхней крестовине, у зонтичных подпятник располагается под ротором в нижней крестовине или опирается на крышку турбины (в этом случае нижняя крестовина у гидрогенератора отсутствует).

На гидроаккумулирующих электростанциях используются обратимые гидрогенераторы (гидрогенераторы-двигатели), которые могут как вырабатывать электрическую энергию, так и потреблять ее. От обычных гидрогенераторов они отличаются особой конструкцией подпятника, позволяющей ротору вращаться в обе стороны.

Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками.

Большое будущее малых гэс

Одно из наиболее перспективных направлений в развитии нетрадиционной энергетики в России — освоение энергии небольших водотоков с помощью микро- и мини-ГЭС. Это связано, прежде всего, со сравнительной простотой их строительства и эксплуатации, а также с большим энергетическим потенциалом малых рек.

Свободный ресурс

К малой гидроэнергетике принято относить гидроэнергетические объекты разного типа с установленной мощностью менее 25 МВт, в том числе совсем небольшие — микроГЭС мощностью от 3 до 100 кВт. Использование гидроэлектростанций таких мощностей для нашей страны — далеко не новое явление:

Принципиально важно отметить, что в малой гидроэнергетике нет необходимости строить крупные гидротехнические сооружения и затапливать большие территории водохранилищами. Маленькая станция может быть установлена практически на любой реке или даже ручье, что особенно актуально для России, где зоны децентрализованного энергоснабжения охватывают более 70% территории страны, на которой проживают около 20 млн человек.

[[photo:217]]

Основные ресурсы малой гидроэнергетики России сосредоточены в горных районах республик Северного Кавказа, в Ставропольском и Краснодарском краях, на Среднем Урале, в Южной Сибири, Прибайкалье и на Дальнем Востоке.

Виды станций

Конструкция типовой малой ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя турбину, водозаборное устройство и элементы управления. В зависимости от того, какие гидроресурсы задействованы малыми гидростанциями, их делят на несколько категорий:

русловые или приплотинные с небольшими искусственными водохранилищами; основанные на существующих перепадах уровней воды; использующие энергию свободного течения рек.

По величине напора выделяют низконапорные (Н < 20 м), средненапорные, (Н = 20-75 м) и высоконапорные (Н > 75 м) малые гидроэлектростанции.

Спецтурбины

Как и на крупных станциях, на малых ГЭС, используются пропеллерные, радиально-осевые и ковшовые турбины (более подробно о них см. «Энерговектор» № 5/2022 г.) соответствующих размеров и модификаций. Чаще применяются пропеллерные турбины и турбины Френсиса.

Мини-ГЭС устраивают непосредственно в потоке воды или на небольших водохранилищах, которые не могут обеспечить достаточного регулирования стока. Отсюда одна из основных проблем эксплуатации малых ГЭС — непостоянный расход воды. В период зимней и летней межени сток реки минимален, тогда как во время весеннего половодья объём воды может быть достаточно большим.

[[photo:216]]

Таким свойством обладают, например, радиальные двухкамерные проточные турбины системы Ossberger производства одноимённой немецкой компании. Стандартное соотношение размеров камер — 1:2. Малая камера предназначена для низких расходов, большая камера открывается при средних расходах (при этом малая камера закрывается).

Существует множество типов конструкций малых ГЭС, проектируемых с учётом различных условий применения. Конечно, охватить их все в этой статье не удастся, поэтому остановимся на некоторых оригинальных разработках.

Гирлянды и рукава

Советский инженер Б. С. Блинов изобрёл и в 1950-1960-х годах впервые применил гирляндные ГЭС для малых рек и рукавные ГЭС для малых рек и ручьёв с дебитом воды более 50 л/с. Гирляндная мини-ГЭС состоит из лёгких турбин — гидровингроторов, нанизанных в виде гирлянды на трос, который переброшен через реку.

Один конец троса закреплён за ось в опорном подшипнике, второй — за ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращение которого передаётся к генератору. Одна гирлянда турбин (энергоблок) обеспечивает мощность от нескольких десятков ватт до 5-15 кВт. Такие энергоблоки можно объединять, заставляя их работать на общую нагрузку и повышая тем самым мощность гидростанции.

[[photo:214]]

Для устройства рукавной микроГЭС на реке или ручье строится небольшая плотина, к отверстию в которой прикрепляется труба-шланг, уложенная вниз по склону вдоль водотока до электрогенератора. Перепад высот от плотины до генератора должен быть не менее 4-5 м.

Вход в «рукав» располагают так, чтобы захватить среднюю, самую быструю, часть течения реки, и воду по сужающемуся каналу подводят к турбинам. Установленная мощность такой станции может варьироваться от 1 до 100 кВт. В 70-х годах прошлого века гидроагрегаты для рукавных микроГЭС выпускались серийно на предприятиях сельхозмашиностроения.

Водоворот энергии

Интересную конструкцию для малых ГЭС в 2003 г. запатентовал изобретатель из Австрии Франц Цотлётерер. Он назвал свой проект «Технический водоворот», а мини-ГЭС — «Водоворотно-гравитационной станцией».

[[photo:215]]

При строительстве станции Цотлётерера часть воды из водотока отводится в бетонный канал, проложенный вдоль береговой линии. Канал завершается бетонным цилиндром, внизу которого выполнено выпускное отверстие с жёлобом-отводом. Вода поступает в цилиндр по касательной и, подчиняясь силе гравитации, стремится вниз, закручиваясь по спирали.

В центре находится турбина, её то и раскручивает водоворот (средняя скорость вращения турбины — 30 об./мин.). На водоворотной мини-ГЭС, построенной на ручье с перепадом высоты в 1,3 м и работающей при расходе воды 0,9 м3/с, мощность достигает 9,5 кВт, выработка за год — порядка 35000 кВт/ч. В такой мини-ГЭС КПД доходит до 74%.

Водоворотно-гравитационная ГЭС отличается от станций других видов особенно бережным отношением к биоресурсам реки: скорость вращения турбины всегда остаётся достаточно низкой, и для рыбы лопасти рабочего колеса турбины не представляют опасности. К тому же лопасти воду не рассекают, а поворачиваются вместе с потоком.

Речные звёзды

В 2008 г. компания Bourne Energy (Калифорния) разработала генераторные установки RiverStar («Речная звезда») для устройства мини-ГЭС на небольших реках. RiverStar представляет собой капсулу с поплавком для фиксации ротора на требуемой глубине, ориентируемым глубинным стабилизатором, крыльчаткой, генератором с блоком преобразователя напряжения.

[[photo:218]]

Модули RiverStar удерживаются на месте стальными тросами, натянутыми под водой поперёк течения реки, поэтому они не нуждаются в установке плотин, якорей и проведении каких-либо дополнительных работ на речном дне. Параллельно тросам на берег выходят кабели, по которым, собственно, и идёт электроэнергия.

Мини-ГАЭС

В середине прошлого века британский изобретатель Элвин Смит предложил оригинальную конструкцию волновой малой гидроаккумулирующей электростанции. В основе установки — два поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединён с морским дном с помощью цепи и якоря.

Предусмотрена автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который постоянно меняется из-за приливов и отливов, с помощью телескопической трубы, раздвигающейся и складывающейся под действием сил Архимеда и тяжести.

Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх). Она подаёт воду на сушу, в горы. В горах устраивают бассейн, в котором вода накапливается и в часы пиковых нагрузок выпускается обратно в море, по пути вращая водяную турбину.

Установка способна поднимать морскую воду на высоту до 200 м и вырабатывать мощность 0,25 МВт.

* * *

Природные условия в России весьма благоприятны для развития малой гидроэнергетики, а при современном уровне доступности информации и всевозможных материалов умельцы могут сделать мини-ГЭС даже своими руками, была бы подходящая река или ручей. Поэтому у малых ГЭС как альтернативных источников энергии, есть все шансы вновь широко распространиться в нашей стране.

В россии

Наиболее достоверным считается[источник не указан 83 дня], что первой гидроэлектростанцией в России была Берёзовская (Зыряновская)

ГЭС (ныне территория Республики Казахстан), построенная в Рудном Алтае на реке Берёзовке (приток р. Бухтармы) в 1892 году. Она была четырёхтурбинной, общей мощностью 200 кВт и предназначалась для обеспечения электричеством шахтного водоотлива из Зыряновского рудника[3].

На роль первой[источник не указан 83 дня] также претендует Ныгринская ГЭС, которая появилась в Иркутской губернии на реке Ныгри (приток р.

Вачи) в 1896 году. Энергетическое оборудование станции состояло из двух турбин с общим горизонтальным валом, вращавшим три динамо-машины мощностью по 100 кВт. Первичное напряжение преобразовывалось четырьмя трансформаторами трёхфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски.

Это были первые в России высоковольтные ЛЭП. Одну линию (длиной 9 км) проложили через гольцы к прииску Негаданному, другую (14 км) — вверх по долине Ныгри до устья ключа Сухой Лог, где в те годы действовал прииск Ивановский.

На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъёмники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой[4].

Одной из первых можно считать ГЭС[источник не указан 83 дня], построенную в 1897 годубельгийскими горно-промышленниками в Алагирском ущелье Северной Осетии в 7 км от современной Зарамагской ГЭС-1.

Россия имела достаточно богатый опыт промышленного гидростроительства, в основном, частными компаниями и концессиями. Информация об этих ГЭС, построенных в России за последнее десятилетие XIX века и первые 20 лет XX столетия, достаточно разрознена, противоречива и требует специальных исторических исследований.

В советский период развития энергетики упор делался на особую роль единого народнохозяйственного плана электрификации страны — ГОЭЛРО, который был утверждён 22 декабря 1920 года. Этот день был объявлен в СССР профессиональным праздником — Днём энергетика.

Глава плана, посвящённая гидроэнергетике, называлась «Электрификация и водная энергия». В ней указывалось, что гидроэлектростанции могут быть экономически выгодными, главным образом, в случае комплексного использования: для выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства или мелиорации.

Предполагалось, что в течение 10-15 лет в стране можно соорудить ГЭС общей мощностью 21 254 тыс. лошадиных сил (15632 МВт), в том числе в европейской части России — мощностью 5438 МВт, в Туркестане — 2221 МВт, в Сибири — 7972 МВт На ближайшие 10 лет намечалось сооружение ГЭС мощностью 950 МВт, однако в последующем было запланировано сооружение десяти ГЭС общей рабочей мощностью первых очередей 535 МВт.

Хотя уже за год до этого, в 1919 году, Совет Рабочей и Крестьянской Обороны признал строительства Волховской и Свирской гидростанций объектами, имеющими оборонное значение. В том же году началась подготовка к возведению Волховской ГЭС, первой из гидроэлектростанций, возведённых по плану ГОЭЛРО[7].

Как устроена саяно-шушенская гэс.

Как устроена Саяно-Шушенская ГЭС.

March 14th, 2022

Саяно-Шушенская гидроэлектростанция имени П. С. Непорожнего — крупнейшая по установленной мощности электростанция России, 8-я — среди ныне действующих гидроэлектростанций в мире.

Расположена на реке Енисей, на границе между Красноярским краем и Хакасией, у посёлка Черёмушки, возле Саяногорска. Является верхней ступенью Енисейского каскада ГЭС. Уникальная арочно-гравитационная плотина станции высотой 242 м — самая высокая плотина России и одна из высочайших плотин мира.

Проект Саяно-Шушенской ГЭС был разработан Ленинградским отделением института «Гидропроект». Строители приступили к работам в 1963 году. Первый гидроагрегат принял промышленную нагрузку в декабре 1978 года, десятый – в 1985-м.

Саянскую ГЭС строила молодежь, в 1967 году ЦК ВЛКСМ объявил строительство Всесоюзной ударной комсомольской стройкой. Летом 1979 года в возведении крупнейшей ГЭС принимали участие студенческие строительные отряды общей численностью 1700 человек, в 1980 году – более 1300 человек со всех концов страны.

2. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС, начатое в 1963 году, было официально завершено только в 2000 году. В ходе строительства и эксплуатации ГЭС имели место проблемы, связанные с разрушением водосбросных сооружений и образованием трещин в плотине, позднее успешно решённые.Памятник строителям ГЭС на смотровой площадке.

Крупнейшие гидроэлектростанции россии

По состоянию на 2022 год в России имеется 15 действующих гидроэлектростанций свыше 1000 МВт, и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.

Примечания:

1. ↑ ¹²³⁴Мощность и выработка при проектном уровне водохранилища; в настоящее время фактическая мощность и выработка значительно ниже, указаны в скобках.

Другие гидроэлектростанции России

Крупные и средние гэс

Круп­ные и сред­ние ГЭС за­ни­ма­ют гла­вен­ст­вую­щее по­ло­же­ние в по­лу­че­нии гид­ро­элек­трич. энер­гии и стро­ят­ся на круп­ных ре­ках; со­сто­ят из си­сте­мы гид­ро­тех­ни­че­ских со­ору­же­ний, обес­пе­чи­ваю­щих соз­да­ние не­об­хо­ди­мо­го на­по­ра, энер­ге­тич. обо­ру­до­ва­ния (гид­рав­лич. тур­бин), пре­об­ра­зую­ще­го энер­гию дви­жу­щей­ся под на­по­ром во­ды в ме­ха­нич. энер­гию, ко­то­рая, в свою оче­редь, пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­трич. энер­гию.

Схе­ма круп­ной (сред­ней) ГЭС пред­став­ле­на на рис. 1. Пло­ти­на об­ра­зу­ет во­до­хра­ни­ли­ще, обес­пе­чи­вая по­сто­ян­ный на­пор во­ды, ко­то­рая че­рез за­щит­ную ре­шёт­ку и ре­гу­ли­руе­мый за­твор вхо­дит в во­до­при­ём­ник и, прой­дя по во­до­то­ку, вра­ща­ет гид­рав­лич. тур­би­ну, при­во­дя­щую в дей­ст­вие гид­ро­ге­не­ра­тор.

Вы­ход­ное на­пря­же­ние гид­ро­ге­не­ра­то­ров по­вы­ша­ет­ся транс­фор­ма­то­ра­ми для пе­ре­да­чи на рас­пре­де­лит. под­стан­ции, а за­тем – по­тре­би­те­лям. По­сле со­вер­ше­ния ра­бо­ты во­да вы­те­ка­ет в ре­ку. В зда­нии ГЭС раз­ме­ща­ет­ся осн. энер­ге­тич. обо­ру­до­вание: в ма­шин­ном за­ле – гид­ро­аг­ре­га­ты, вспо­мо­гат. обо­ру­до­ва­ние, уст­рой­ст­ва ав­то­ма­тич. управ­ле­ния и кон­тро­ля; на центр. по­сту управ­ле­ния – пульт опе­ра­то­ра-дис­пет­че­ра или ав­то­опе­ра­тор ГЭС.

По­вы­шаю­щая транс­фор­ма­тор­ная под­стан­ция мо­жет на­хо­дить­ся как внут­ри зда­ния ГЭС, так и в отд. зда­ни­ях или на от­кры­тых пло­щад­ках. Рас­пре­де­лит. уст­рой­ст­ва за­час­тую рас­по­ла­га­ют­ся на от­кры­той пло­щад­ке. При зда­нии ГЭС или внут­ри не­го соз­да­ёт­ся мон­таж­ная пло­щад­ка для сбор­ки и ре­мон­та обо­ру­до­ва­ния и для вспо­мо­гат. опе­ра­ций по об­слу­жи­ва­нию ГЭС.

По ве­ли­чи­не на­по­ра раз­ли­ча­ют ГЭС вы­со­ко­на­пор­ные (св. 60 м), сред­не­го на­по­ра (до 60 м) и низ­ко­на­пор­ные (3–25 м). На рав­нин­ных ре­ках на­по­ры ред­ко пре­вы­ша­ют 100 м, в гор­ных ус­ло­ви­ях по­сред­ст­вом пло­ти­ны мож­но соз­да­вать на­по­ры до 300 м и бо­лее, а с по­мо­щью де­ри­ва­ции – до 1500 м. От­ли­чит. осо­бен­но­стью ГЭС, со­ору­жае­мых на рав­нин­ных ре­ках (как на мяг­ких ос­но­ва­ни­ях, так и на скаль­ных по­ро­дах), яв­ля­ют­ся боль­шие объ­ё­мы зем­ля­ных и бе­тон­ных ра­бот.

В кань­о­нах и гор­ных ущель­ях на твёр­дых скаль­ных ос­но­ва­ни­ях тя­жё­лые гра­ви­та­ци­он­ные пло­ти­ны эко­но­ми­че­ски не­вы­год­ны, для та­ких гид­ро­уз­лов бо­лее эф­фек­тив­ны ароч­ные пло­ти­ны или ароч­но-гра­ви­та­ци­он­ные. В за­ви­си­мо­сти от на­по­ра ис­поль­зу­ют разл. энер­ге­тич. обо­ру­до­ва­ние: на низ­ко­на­пор­ных ГЭС – по­во­рот­но-ло­па­ст­ные или го­ри­зон­таль­ные (ре­же) тур­би­ны; на сред­не­на­пор­ных – по­во­рот­но-ло­па­ст­ные и ра­ди­аль­но-осе­вые тур­би­ны; на вы­со­ко­на­пор­ных – ков­шо­вые и ра­ди­аль­но-осе­вые тур­би­ны.

По схе­ме ис­поль­зо­ва­ния вод­ных ре­сур­сов ГЭС обыч­но под­раз­де­ля­ют на ру­сло­вые, при­пло­тин­ные, де­ри­ва­ци­он­ные (с на­пор­ной и без­на­пор­ной де­ри­ва­ци­ей), сме­шан­ные, гид­ро­ак­ку­му­ли­рую­щие и при­лив­ные. В ру­сло­вых и при­пло­тин­ных ГЭС на­пор во­ды соз­да­ёт­ся пло­ти­ной, пе­ре­го­ра­жи­ваю­щей ре­ку и под­ни­маю­щей уро­вень во­ды в верх­нем бье­фе.

При этом не­из­беж­но не­которое за­то­п­ле­ние до­ли­ны ре­ки. Ру­сло­вые и при­пло­тин­ные ГЭС стро­ят как на рав­нин­ных мно­го­вод­ных ре­ках, так и на гор­ных ре­ках в уз­ких сжа­тых до­ли­нах. В со­став со­ору­же­ний ру­сло­вой ГЭС, кро­ме пло­ти­ны, вхо­дят зда­ние ГЭС и во­до­сброс­ные со­ору­же­ния.

У ру­сло­вой ГЭС зда­ние с раз­ме­щён­ны­ми в нём гид­ро­аг­ре­га­та­ми слу­жит про­дол­же­ни­ем пло­ти­ны и вме­сте с ней соз­да­ёт на­пор­ный фронт. Для ру­сло­вых ГЭС ха­рак­тер­ны на­по­ры до 30–40 м. На круп­ных рав­нин­ных ре­ках осн. рус­ло обыч­но пе­ре­кры­ва­ет­ся зем­ля­ной пло­ти­ной, к ней при­мы­ка­ет бе­тон­ная во­до­слив­ная пло­ти­на, на ко­то­рой со­ору­жа­ет­ся зда­ние ГЭС.

Та­кая ком­по­нов­ка ти­пич­на для мн. отеч. ГЭС на боль­ших рав­нин­ных ре­ках, напр. Волж­ской ГЭС (г. Вол­го­град) мощ­но­стью 2,56 тыс. МВт (1962); Майн­ской ГЭС на р. Ени­сей мощ­но­стью 321 МВт (1987). При бо­лее вы­со­ких на­по­рах зда­ние ГЭС не мо­жет вос­при­ни­мать боль­шое гид­ро­ста­тич. дав­ле­ние во­ды.

В этом слу­чае со­ору­жа­ет­ся при­пло­тин­ная ГЭС, у ко­то­рой на­пор­ный фронт на всём про­тя­же­нии пе­ре­кры­ва­ет­ся пло­ти­ной, а зда­ние ГЭС рас­по­ла­га­ет­ся за пло­ти­ной, со сто­ро­ны ниж­не­го бье­фа (напр., Брат­ская ГЭС на р. Ан­га­ра).

При­ме­ром др. типа при­пло­тин­ных ГЭС, со­от­вет­ст­вую­щих гор­ным ус­ло­ви­ям, мо­жет быть ком­понов­ка Ну­рек­ской ГЭС на р. Вахш (Тад­жи­ки­стан) про­ект­ной мощ­но­стью 2,7 тыс. МВт, Мин­ге­ча­ур­ской ГЭС на р. Ку­ра (Азер­бай­джан) мощ­но­стью 359 МВт.

В де­ри­ва­ци­он­ных ГЭС во­да в на­ча­ле ис­поль­зуе­мо­го уча­ст­ка ре­ки от­во­дит­ся из реч­но­го рус­ла во­до­во­дом с ук­ло­ном зна­чи­тель­но мень­шим, чем сред­ний ук­лон ре­ки на дан­ном уча­ст­ке, и со спрям­ле­ни­ем из­ги­бов и по­во­ро­тов рус­ла.

Ко­нец де­ри­ва­ции под­во­дят к мес­ту рас­по­ло­же­ния зда­ния ГЭС. От­ра­бо­тан­ная во­да ли­бо воз­вра­ща­ет­ся в ре­ку, ли­бо под­во­дит­ся к сле­дую­щей де­ри­ва­ци­он­ной ГЭС. Де­ри­ва­ция вы­год­на, ес­ли ук­лон ре­ки ве­лик. Де­ри­ва­ци­он­ная схе­ма кон­цен­тра­ции на­по­ра (бес­пло­тин­ный во­до­за­бор или низ­кая во­до­за­бор­ная пло­ти­на) на прак­ти­ке при­во­дит к то­му, что из ре­ки за­би­ра­ет­ся лишь не­боль­шая часть её сто­ка.

При от­бо­ре все­го сто­ка в на­ча­ле де­ри­ва­ции на ре­ке со­ору­жа­ет­ся бо­лее вы­со­кая пло­ти­на и соз­да­ёт­ся во­до­хра­ни­ли­ще: та­кая схе­ма кон­цен­тра­ции па­де­ния во­ды на­зы­ва­ет­ся сме­шан­ной, т. к. ис­поль­зу­ют­ся оба прин­ци­па соз­да­ния на­по­ра.

В ря­де слу­ча­ев с по­мо­щью де­ри­ва­ции про­из­во­дит­ся пе­ре­бро­ска сто­ка ре­ки в со­сед­нюю ре­ку, имею­щую бо­лее низ­кие от­мет­ки рус­ла, напр., на Ин­гур­ской ГЭС (Гру­зия), где сток р. Ин­гу­ри пе­ре­бра­сы­ва­ет­ся тун­не­лем в со­сед­нюю р. Эрисц­ка­ли.

Со­ору­же­ния без­на­пор­ных де­ри­ва­ци­он­ных ГЭС со­сто­ят из зда­ния, во­до­за­бор­но­го со­ору­же­ния, во­до­при­ём­ной пло­ти­ны и соб­ст­вен­но де­ри­ва­ции (ка­нал, ло­ток, без­на­пор­ный тун­нель). Круп­ней­шая ГЭС с без­на­пор­ной под­во­дя­щей де­ри­ва­ци­ей – ГЭС «Robert Mo­ses» (США) мощ­но­стью 1,95 тыс. МВт, а с без­на­пор­ной от­во­дя­щей де­ри­ва­ци­ей – Ин­гур­ская ГЭС мощ­но­стью 1,3 тыс. МВт.

На ГЭС с на­пор­ной де­ри­ва­ци­ей во­до­вод про­кла­ды­ва­ет­ся с не­сколь­ко боль­шим про­доль­ным ук­ло­ном, чем при без­на­пор­ной де­ри­ва­ции. При­ме­не­ние на­пор­ной под­во­дя­щей де­ри­ва­ции обу­слов­ли­ва­ет­ся из­ме­няе­мо­стью го­ри­зон­та во­ды в верх­нем бье­фе.

Круп­ней­шая стан­ция с на­пор­ной под­во­дя­щей де­ри­ва­ци­ей – ГЭС «Necha­ko-Kemano» (Ка­на­да) про­ект­ной мощ­но­стью 1,79 тыс. МВт. ГЭС с на­пор­ной от­во­дя­щей де­ри­ва­ци­ей при­ме­ня­ет­ся в ус­ло­ви­ях зна­чит. из­ме­не­ний уров­ня во­ды в ре­ке в мес­те вы­хо­да от­во­дя­щей де­ри­ва­ции или по эко­но­мич. со­об­ра­же­ни­ям.

Осо­бое ме­сто за­ни­ма­ют гид­ро­ак­ку­мули­рую­щие элек­тро­стан­ции (ГАЭС) и при­лив­ные элек­тро­стан­ции (ПЭС). ГАЭС яв­ля­ют­ся наи­бо­лее эф­фек­тив­ным ти­пом ма­нёв­рен­ных элек­тро­стан­ций, по­вы­шаю­щих на­дёж­ность и эко­но­мич­ность ра­бо­ты энер­го­сис­те­мы в пе­ри­од по­кры­тия пи­ко­вых на­гру­зок.

По ус­ло­ви­ям ра­бо­ты и ха­рак­те­ру ис­поль­зо­ва­ния во­ды раз­ли­ча­ют ГЭС на сто­ке без ре­гу­ли­ро­ва­ния, с су­точ­ным, не­дель­ным, се­зон­ным (го­до­вым) и мно­го­лет­ним ре­гу­ли­ро­ва­ни­ем. Отд. ГЭС или кас­ка­ды ГЭС, как пра­ви­ло, ра­бо­та­ют в сис­те­ме со­вме­ст­но с кон­ден­са­ци­он­ны­ми элек­тро­стан­ция­ми, те­п­ло­элек­тро­цен­тра­ля­ми, атом­ны­ми элек­тро­стан­ция­ми, га­зо­тур­бин­ны­ми ус­та­нов­ка­ми (ГТУ), при­чём в за­ви­си­мо­сти от гра­фи­ка на­груз­ки энер­го­сис­те­мы ГЭС мо­гут быть ба­зис­ны­ми, по­лу­пи­ко­вы­ми и пи­ко­вы­ми.

Из всех су­ще­ст­вую­щих ти­пов элек­тро­стан­ций имен­но ГЭС яв­ля­ют­ся наи­бо­лее ма­нёв­рен­ны­ми и спо­соб­ны при не­об­хо­ди­мо­сти су­ще­ст­вен­но уве­ли­чить мощ­ность в счи­та­ные ми­ну­ты, по­кры­вая пи­ко­вые на­груз­ки. Для те­п­ло­вых стан­ций (ТЭС) этот по­ка­за­тель из­ме­ря­ет­ся ча­са­ми, для АЭС – сут­ка­ми. Мощ­ность круп­ней­ших ГЭС ми­ра пре­вы­ша­ет 3 тыс. МВт (табл.).

Устройство и принцип работы гидроэлектростанции

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего образования

Государственный университет морского и речного флота

Имени адмирала С.О. МАКАРОВА»

Кафедра Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики

Дисциплина «ГТС общего назначения»

Практическая работа № 1

Устройство и принцип работы гидроэлектростанции

Выполнил: ст. гр. В-5-4

Бобров Д.В,

Проверил: Гапеев А.М.

Санкт-Петербург

2022 г.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС) – гидротехническое сооружение, предназначенное для преобразования механической энергии потока воды в электрическую. ГЭС представляют собой комплекс сооружений, создающих подпор, подводящих к турбинам и отводящих от них воду, и здания, необходимого для размещения гидроагрегатов, механического и электрического оборудования.

Гидроэлектростанции используют механическую энергию водотоков и являются высокоэффективными источниками электроэнергии. В конструктивном отношении они имеют самое разнообразное устройство, определяемое величиной используемого напора, типом турбины, топографическими, гидрологическими, экологическими и другими условиями.

Основным элементом ГЭС является турбина, позволяющая преобразовать энергию водного потока в механическую энергию вращения рабочего колеса, которое приводит во вращение ротор генератора электрического тока.

Подача воды к турбине плотинной ГЭС (рис. 1) осуществляется по водоводу 2, называемому спиральной камерой, охватывающему по окружности рабочее колесо турбины 1, а отвод воды в нижний бьеф – по изогнутому водоводу – отсасывающей трубе 11.

Спиральная камера со стороны верхнего бьефа закрывается быстропадающими затворами 6, перед которыми располагаются сороудерживающие решетки с механизмами их очистки. Для ремонта и осмотра турбины спиральная камера со стороны верхнего бьефа и отсасывающая труба со стороны нижнего бьефа закрывается ремонтными затворами 7. Маневрирование затворами осуществляется при помощи специальных механизмов.

В машинном зале 9 для перемещения турбины и частей генераторов предусмотрены мостовые краны, передвигающиеся по путям на колоннах. Оборудование ГЭС и мастерские располагаются в соответствующих помещениях здания. Трансформаторные подстанции, передающие электрический ток в линию высокого напряжения, обычно размещают со стороны нижнего бьефа. Со стороны верхнего бьефа устроен мост 8 для проезда автомобильного и железнодорожного транспорта

Здание гидроэлектростанции проверяется на прочность и устойчивость, а подземный контур на фильтрационное воздействие грунтовых вод. Для увеличения пути фильтрационного потока со стороны верхнего бьефа устраивают железобетонный анкерный понур или предусматривают забивку шпунта 12. Для предотвращения размыва дна реки перед зданием ГЭС и в нижнем бьефе предусматривается крепление бетонными плитами.

Рис. 1. Общее устройство гидроэлектростанции:

1 – турбина; 2 – спиральная камера; 3 – генератор; 4 – вал турбины; 5 – возбудитель; 6 – паз рабочего затвора ГЭС; 7 – паз ремонтного затвора; 8 – мост; 9 – машинный зал; 10 – паз ремонтного затвора отсасывающей трубы; 11 – отсасывающая труба; 12 – шпунт

В ГЭС приплотинного типа здание располагается в нижнем бьефе за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных гидроэлектростанциях такого типа напор может достигать 500 м и более. В них чаще всего устанавливаются радиально-осевые турбины (рис. 2).

В зданиях ГЭС приплотинного типа подвод воды к турбине осуществляется по напорному водоводу, как правило, круглого сечения. Давление верхнего бьефа на здание в этом случае сравнительно невелико и оно учитывается только в расчетах отдельных конструкций здания.

Гидроэлектростанции приплотинного типа, как уже отмечалось, возводятся при больших напорах и поэтому имеют высокие энергетические показатели. На рис. 2 приведен вариант проекта здания Саяно-Шушенской ГЭС с агрегатами мощностью по 640 МВт (напор в среднем 200 м).

Рис. 2. Здание ГЭС приплотинного типа (Вариант конструкции здания Саяно-Шушенской ГЭС):

1 – рабочий затвор; 2 – паз ремонтного затвора; 3 – сороудерживающая решетка;

4 – турбинный водовод; 5 – трансформаторная подстанция; 6 – здание ГЭС;

7 – бетонная плотина; 8 – скважины цементации;

9 – скважины вертикального дренажа

Подвод воды к приплотинным и деривационным ГЭС осуществляется по напорным водоводам, устроенным в теле плотины или непосредственно на местности к каждому агрегату. Станции этих типов работают преимущественно при больших напорах, они используют значительную часть потенциальной энергии потока и отличаются от плотинных станций более высокими энергетическими показателями.

Турбина

Турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. В зависимости от вида гидравлической энергии, преобразуемой рабочим колесом турбины, они разделяются на два класса: реактивного и активного действия.

Турбины, преобразующие гидравлическую энергию в механическую в основном за счет потенциальной энергии потока воды, относятся к классу реактивных турбин, а турбины, преобразующие гидравлическую энергию в механическую за счет кинетической энергии потока воды, относятся к классу активных турбин.

Реактивные турбины нашли самое широкое распространение при наиболее часто встречающихся напорах на ГЭС от 3 до 700 м. По принципу протекания воды по рабочему колесу их разделяют на осевые, диагональные и радиально-осевые. Если поток поступает на лопасти рабочего колеса и протекает в направлении, параллельном оси вращения турбины (рис.

2, а, г), то такие турбины называют осевыми. Турбины, у которых меридианные составляющие скорости наклонены относительно оси турбины, являются диагональными (рис. 2, в), а турбины, лопасти рабочего колеса которых расположены в зоне поворота меридианных скоростей из радиального направления в осевое – радиально-осевыми (рис. 2, б).

Рис. 2. Схемы гидротурбин:

а – осевая вертикальная; б – радиально-осевая вертикальная; в – диагональная вертикальная; г –капсульно-горизонтальная; д – ковшовая горизонтальная

Спиральная камера

Спиральная камера обеспечивает равномерное поступление воды по всему периметру направляющего аппарата, т. е. осесимметричный режим работы всех направляющих лопаток; сечение спиральной камеры равномерно

сужается по ходу потока. На ГЭС с напором, превышающим 50—60м,

применяются стальные. Спиральная камера круглого сечения, охватывающие статор почти полностью.

На ГЭС с меньшим напором спиральная камера изготовляются из железобетона, уголохвата составляет около 225 , сечение имеет вид тавра. Спиральная камера в отличие от других турбинных камер(например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины.

Отсасывающие трубы

Отсасывающие трубы определяют габариты подводной части здания ГЭС и оказывают существенное влияние на энергетические показатели и условия надежной работы гидроагрегата. Они обеспечивают:

· преобразование значительной части кинетической энергии потока в энергию давления, особенно в турбинах повышенной быстроходности;

· полное использование перепадов уровней между верхним и нижним бьефами ГЭС;

· благоприятные условия отвода воды от гидромашины в нижний бьеф.

В настоящее время используются два основных типа отсасывающих труб: прямоосные конические и изогнутые.

Направляющий аппарат

Направляющий аппарат является одним из главных узлов, определяющих компоновку всей турбины. Подает воду на лопасти рабочего колеса(РК) под некоторым углом. Окружная скорость на лопасти всегда поддерживается неизменной, так как неизменной должна оставаться частота вращения ротора генератора. Это необходимо для поддержания постоянной частоты переменного электрического тока в сети.

Генератор

Гидрогенератор — электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции.

Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м).

Гидрогенераторы состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники.

Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками.