Na=NTзген=9,81 QHзa (2-7)
где зген -- КПД генератора; за = зТзген --КПД агрегата.
Для генераторов мощностью 5 МВт КПД равен 0,95--0,96. Для уникальных генераторов мощностью 500 МВт и более КПД превосходит 0,98. Обозначая а = 9,81т]а, получим формулу для приближенных расчетов
Na=aQH (2-8)
Учитывая снижение КПД турбины и генератора при отклонении нагрузки от оптимальной, принимают а для сверхмощных агрегатов в пределах 8,8--9,1, для крупных агрегатов -- 8,4--8,7 и для небольших агрегатов 8,0--8,2. Для насосных агрегатов и при работе обратимой гидромашины (насосо-турбины) в насосном режиме мощность, потребляемая электродвигателем, равна
где HH-- напор насоса; зИ -- КПД насоса; зД -- КПД двигателя. Наибольшее значение КПД насосо-турбин при работе в насосном режиме составляет 0,925--0,93, а КПД сверхмощных электродвигателей превосходит 0,98. Для насосных агрегатов средней мощности т1„ = 0,89--0,90, т]л = 0,95--0,97, что дает приближенно NH=H,3 QH, кВт. При отклонении от оптимальной нагрузки КПД насосов резко снижается.
Энергия Э выражается произведением: Э = Nt, где N -- мощность, Вт, t -- время в секундах или часах. В системе СИ электрическая энергия измеряется в джоулях и их производных, причем 1 Дж=1 Н-м = = 1 Вт-с.
В энергетике наибольшее распространение получило измерение энергии в киловатт-часах (кВт-ч). Из определений, явствует, что 1 кВт-4 = 3600 кДж.
Объем воды V, м3 при напоре Н, м дает количество энергии в килоджоулях Э = 9,81 VHзa или в киловатт-часах
(2-10)
Если V -- объем годового стока реки, используемого ГЭС, а H -- ее средний напор, то Э дает годовую выработку энергии ГЭС. Если V -- объем воды, запасенной в водохранилище, который может быть использован при напоре Н, то Э выражает запас энергии воды водохранилища или энергетический эквивалент этого объема. Если V--годовой объем водоподачи НС, то
(2-11)
определяет годовое потребление НС в кВт-ч, без учета расхода энергии на собственные нужды.
Гидростанция при напоре Н и КПД за расходует на 1 кВт-ч выработанной энергии объем воды q в м3, т. е.
(2 - 12)
Насосная станция на 1 м3 воды расходует энергию в кВт- ч
(2-13)
8.3 Основные схемы использования водной энергии
Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС: 1) плотинная схема, когда напор создается плотиной; 2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода; 3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией. Плотины имеются во всех трех схемах.
А. ПЛОТИННАЯ СХЕМА
Плотинная схема (рис. 2-3) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах А и В равна Ho + Дh. Часть общего падения Дh будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е. напор будет равен Н0. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.
Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающий напор (рис 2-4).
Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре.
При средних и больших напорах, превышающий диаметр трубы более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает плотного давления воды (рис 2-5). Подвод воды к турбинам такой ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, под земляной плотиной или туннелями, прокладываемыми в обход плотины.
Б. ДЕРИВАЦИОННАЯ СХЕМА
При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации. На рис 2-6 приведена схема ГЭС с деревацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деревационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деревацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.
При пересеченном или горном рельефе местности, деревацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающий горный массив (рис 2-7), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деревация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.
Существуют два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рис 2-7). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рис 2-6).
При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рис 2-6).
Если река несет большое количество крупных наносов (песок), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.
Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда - шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной.
Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больных уклонах свободной поверхности возы в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.
В ПЛОТИННО-ДЕРИВАЦИОННАЯ СХЕМА
В плотинно - деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рис. 2-8) На используемом участке реки А--В при неизменной отметке верхнего бьефа Ў ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота. При этом уменьшается размер водохранилища, т. е. уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора hA-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.
Г. КАСКАДЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ВОДОХРАНИЛИЩ
Несколько ГЭС, последовательно расположенных на одном водотоке, образуют каскад. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ наилучшим образом зарегулировать сток рек.
Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемого им водохранилища и т. п. выбираются на основе тщательного изучения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на данной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов. При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические условия
При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообразным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубокое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колебаний уровня НБ.
На рис. 2-9 приведена схема Волжско-Камского каскада ГЭС и водохранилищ. Река Волга имеет длину 3690 км и общее падение 250 м. Ступенчатой линией показаны проектные уровни воды после осуществления всей схемы реконструкции Волги.
Каскады ГЭС построены и строятся в СССР на многих реках -- Енисее, Ангаре, Иртыше, Каме, Свири, Вуоксе, Днепре, Сырдарье, Нарыне, Чирчике, Куре, Риони, Ингури, Сулаке и др.
8.4 Особые схемы использования водных ресурсов
А. ПЕРЕБРОСКА СТОКА РЕК В ДРУГИЕ БАССЕЙНЫ
При значительной разнице в уровнях воды двух соседних рек и благоприятных топографических и других условиях может оказаться целесообразным переброска стока одной реки в другую, с энергетическим использованием разности уровней воды обеих рек. На реке с более высоким уровнем воды может быть построена плотина, и вода этой реки по каналу, трубопроводу или по туннелю, проложенному через водораздел, может быть направлена на ГЭС, расположенную на берегу другой реки. По такой схеме построено много гидростанций, в том числе в СССР -- Сухумская, Ладжанурская, Ингурская ГЭС в Закавказье, Белореченская, Сенгилевская и Свпстухпнская на Северном Кавказе (Кубань-Егорлыкский канал), Тереблярикская в Закарпатье и др. При переброске стока рек в другие бассейны должны учитываться потребности в воде района, расположенного ниже по реке, сток которой перебрасывается в другую реку.
Исключительно большой народнохозяйственный интерес представляет проектируемая переброска стока многоводных сибирских рек в Среднюю Азию и Казахстан и северных рек Европейской части СССР в сторону засушливого юга.
Б. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРЕПАДОВ НА ИРРИГАЦИОННЫХ КАНАЛАХ
При трассировке ирригационных каналов иногда, по условиям рельефа местности, приходится делать искусственные перепады уровней воды в виде ступеней или в виде быстротоков В обоих случаях энергию потока приходится гасить при помощи специальных сооружений-- гасителей (колодцы, пороги, тумбы, зубья и т. д.) При таких перепадах может оказаться экономически выгодным устройство ГЭС, так как затраты на постройку плотины и на компенсацию ущерба от затопления будут производиться независимо от сооружения ГЭС В зависимости от наличия расхода воды в канале такая ГЭС может работать или круглогодично или только в поливной период.
В Советском Союзе на перепадах крупных ирригационных каналов (Бозсунскии, Вахшский, Кубань-Егорлыкский и др.) построены и работают многие десятки ГЭС. При проектировании новых ирригационных систем необходимо учитывать энергетическую роль перепадов поды на каналах, рационально используя энергию этих перепадов
На НС ирригационных систем бывает целесообразна установка обратимых гидроарегатов и приспособление ВБ и НБ для использования в качестве резервуаров. В результате НС превращается в комбинированную установку НС--ГАЭС, которая в определенные периоды года, например зимой, может работать как ГАЭС.
В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОКА ВЫСОКОГОРНЫХ РАЙОНОВ
Перехватываемые системой каналов, труб и туннелей небольшие ручьи и еще неоформленный в ручьи склоновый сток ледников и вечных снегов могут быть использованы на весьма больших напорах, что пет достаточно большую мощность. Рельеф высокогорных районов может позволить соорудить здесь водохранилища для регулирования стока. Такого рода гидростанции построены в Болгарии, Австрии, Швейцарии и других странах. Однако трудности строительства и транспорта в горах ограничивают энергетическое использование высокогорного склонового стока.
Г. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОКА ПОГРАНИЧНЫХ РЕК
Энергетическое использование стока пограничных рек обычно производится па паритетных началах. Электрическая энергия ГЭС, к,ik правило, делится поровну между пограничными государствами.
При гидроузле могут быть построены две ГЭС на разных берегах, для одного и для другого государства. Иногда реку делят на энергетические и эквивалентные участки. На одном участке строится гидроузел с ГЭС для одной страны, и на другом участке -- для другой страны.
При комплексном использовании водных ресурсов пограничной реки потребности в воде для орошения и водоснабжения могут оказаться существенно различными, тогда необходима особая договоренность между государствами о распределении воды между ними.
8.5 Схемы насосного аккумулирования энергии
Для насосного аккумулирования энергии необходимы верхний и нижний бассейны, водопроводящие сооружения и оборудование для перекачки воды из нижнего в верхний бассейн и последующего использования этой воды для выработки электрической энергии.
При отсутствии приточности к верхнему бассейну схема ГАЭС является простейшей (рис. 2-10). В обороте находится практически один и тот же объем воды; потери испарения и фильтрации должны возмещаться из какого-либо источника.