Верхний бассейн устраивается путем частичной срезки и обвалования возвышенности или путем сооружения плотины в ущелье. При наличии высокогорного озера оно может быть использовано в качестве верхнего бассейна. Для нижнего бассейна могут быть использованы водохранилище, озеро или река. Иногда для нижнего бассейна могут быть использованы заброшенные шахты, например угольные, или создан специальный подземный резервуар.
При больших напорах ГАЭС применяются компоновки с насосо-турбинными водоводами трубопроводами или штольнями. При благоприятных природных условиях непосредственно у верхнего бассейна устраивается водоприемник, который используется для подачи воды в водовод и далее к турбинам и приема воды в верхний бассейн при работе насосов. Если водоприемник удален от верхнего бассейна то приходится сооружать между ними канал или туннель.
На ГАЭС устанавливаются или насосы и турбины, или обратимые гидравлические машины (насосо-турбины), которые могут работать попеременно как насос и как турбина. Электрическая машина тоже может быть изготовленa как обратимая и работать попеременно двигателем и генератором. Механически сочлененные обратимые гидравлическая и этектрическая машины составляют обратимый гидроагрегат. Такие агрегаты устанавливаются при напорах до 650 м. Широко распространены трехмашинные агрегаты, когда на одном валу размещается обратимая электрическая машина, турбина и насос. Между турбиной и насосом ставят муфту, которая позволяет отключать насос при paботе турбины. На рис 2 - 11 представлен энергобаланс трехмашинного агрегата мощностью 100 МВт ГАЭС Вианден-1.
При соответствующем обосновании устанавливаются paздельные агрегаты: насосный (электрический двигатель и насос) и турбинный (гидротурбина и гидрогенератор). Такую схему иногда называют четырехмашинной (более подробно см гл 8 и 26)
Здание ГАЭС сооружается на поверхности земли или под землей Специфическую компоновку будут иметь ГАЭС с подземными нижними резервуарами, которые, как показывают предварительные расчеты, могут оказаться экономичными при напорах 800--1200 м и более.
Если имеется значительный приток воды к верхнему бассейну, то электростанция становится ГЭС --ГАЭС. При напорах до 35--45 м такие электростанции будут руслового типа, при Н более 45 м -- приплотинного или деривационного типа. Компоновка сооружений ГЭС -- ГАЭС аналогична ГЭС, а необходимость иметь верхний и нижний бассейны и возможность перекачки воды из нижнего бассейна в верхний присущи ГАЭС.
Насосное аккумулирование энергии особенно выгоню, когда напор насосов оказывается намного меньше напора турбин, как показано на рис 2-12. При благоприятных топографических и энергетических условиях может оказаться целесообразным использование НС в качестве ГАЭС. Для этого необходимо иметь верхний и нижний бассейны и оборудовать станцию обратимыми агрегатами. Такие гидроэнергетические установки будем называть НС-ГАЭС.
8.6 Схемы использования энергии приливов
Периодические повышения и понижения уровня моря при приливах и отливах определяются силами притяжения Земля -- Луна -- Солнце и центробежными силами. Приливы обычно происходят два раза в сутки, чередование максимума и минимума приливов происходит через 6 часов 12 минут. Время прилива каждые сутки смещается на 50 минут. Продолжительность полного цикла составляет 29,53 суток. Наибольшая величина прилива т. е. разность максимального уровня при приливе и минимального уровня при отливе в открытом океане составляет 2 м и значительно увеличивается у побережья, в проливах и узких заливах. Наибольшая в мире величина прилива (19,0 м) наблюдается в заливе Фанди на Канадском побережье Атлантического океана. В СССР на побережье Охотского моря величина прилива в различных пунктах побережья составляет от 2 до 14,0 м, на побережье Кольского полуострова от 4 до 10 м.
Простейшей является однобассейная схема использования энергии приливов (рис 2-13). При наличии удобного естественного залива или фиорда который может быть отделен от моря плотиной и зданием ПЭС, он используется в качестве бассейна, наполняемого в часы прилива и oпорожняемого в часы отлива. На ПЭС предусматривают холостой водосброс. Например часть плотины делается водосливной или для холостого сброса воды используется здание ПЭС. Тогда здание выполняется или водосливного типа с переливом воды через крышу здания или совмещенного типа с водосбросными отверстиями внутри здания.
В часы прилива уровень воды в море выше, чем в бассейне и при достаточном напоре ПЭС может вырабатывать электрическую энергию, пропуская через турбины воду из моря в бассейн. В часы отлива создается перепад уровней между бассейном и морем. При достаточных напорах ПЭС вырабатывает электрическую энергию, пропуская через турбину воду из бассейна в море. При малых напорах ПЭС простаивает, обычно четыре раза в сутки. Часы работы ПЭС определяются временем наступления приливов и отливов и каждый день соответственно смещаются на 50 минут.
На ПЭС устанавливаются обратимые агрегаты двустороннего действия, которые могут работать в турбинном и насосном режимах при движении воды из моря в бассейн и из бассейна на море. На ПЭС устанавливаются агрегаты капсульного типа (см гл 8) с горизонтальном валом.| На другом его конце располагается обратимая гидравлическая машина, которая может работать попеременно как турбина и как насос. На другом конце вала в металлической капсуле, обмываемой водой, размещается обратимая электрическая машина, которая может быть использована попеременно как генератор и как двигатель.
За время одного цикла отлива - прилива, т. е. в течение примерно половины суток можно выделить шесть периодов четыре рабочих и два простоя.
Агрегаты ПЭС включаются в работу в турбинном режиме при достаточно высоком экономически обоснованном напоре Вода проходит через турбины из бассейна в море и ПЭС вырабатывает электрическую энергию и отдает ее в сеть. ПЭС работает до тех пор, пока напор не понизится до напора Н холостого хода.
Для быстрейшего опорожнения бассейна производится холостой сброс воды через водосливную плотину или через водосбросные отверстия здания ПЭС. Посредством перекачки воды насосами уровень воды в бассейне понижают ниже уровня воды в море. При работе насосов ПЭС потребляет электрическую энергию.
3 Период ожидания, в течение которого происходит процесс повышения уровня воды в море Агрегаты ПЭС простаивают до тех пор, пока не будет достигнут экономически обоснованный напор, при котором выгодно включать турбины
Четвертый, пятый и шестой периоды отличаются от предыдущих тем, что вода будет проходить через турбины, затем через водослив и перекачивается насосами из моря в бассейны. Перекачка воды насосами происходит при низких напорах, а используется она при более высоких напорах. Такое насосное аккумулирование энергии оказывается весьма выгодным. Выработка электроэнергии на перекачиваемой воде превышает потребление энергии из сети для работы насосов. В результате за счет насосного аккумулирования отдача энергии ПЭС увеличивается на 5--8 %
Потребление электроэнергии в электрических системах обычно характеризуется наличием двух регулярных пиков нагрузки -- утреннего и вечернего, и двух снижений - ночью и в часы дневного обеденного периода.
Для приспособления отдачи энергии к режиму электропотребления наряду с сооружением ПЭС надо построить ГАЭС или ГЭС с водохранилищем.
Возможны и другие схемы использования энергии приливов. Если, например, использовать два соседних фиорда или разделить залив плотиной на два бассейна, то получим двухбассейную схему. Здание ПЭС с оборудованием размещается между бассейнами. Один бассейн можно соединить с морем при приливе, а второй при отливе. При этом между бассейнами будет разность уровней и ПЭС большую часть суток сможет иметь напор, достаточный для работы турбин. Такая схема менее экономична, чем однобассейновая.
ПЭС Ранс и Кислогубская ПЭС построены по однобассепповой схеме. План ПЭС Ранс показан на рис 2-14. На ПЭС установлено 24 капсульных агрегата. ПЭС работает при амплитудах прилива 3,3-- 13,5 м, при среднем значении 8,4 м. В составе сооружений ПЭС Ране имеется судоходный шлюз.
На рис. 2-15 представлен поперечный разрез здания Кислогубской ПЭС. При строительстве ПЭС был применен прогрессивный наплавной метод. В 100 км от Кислой Губы был изготовлен наплавной док -- блок для размещения в нем агрегата. Блок был доставлен на понтонах в Кислую Губу и установлен на подготовленное основание без устройства перемычек
В СССР проведена предварительная проектная работа по Лумбовской ПЭС на Кольском полуострове мощностью 320 МВт и годовой выработкой электроэнергии около 800 млн. кВт-ч. Изучаются возможности строительства на побережье Белого моря Мезенской ПЭС мощностью 6 млн. кВт, и на побережье Охотского моря Тугурской ПЭС -- 9 млн. кВт и Пенжинской ПЭС -- 35 млн. кВт.
9. Гидравлические турбины
9.1 Классификация гидротурбин
Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса. Из основного закона механики жидкости -- закона Бернулли следует, что удельная энергия, т. е. энергия единицы массы, Я на входе в рабочее колесо составляет
(9.1)
на выходе из рабочего колеса
(9.2)
Обозначения всех входящих в формулы (91) и (9.2) величин приведены в § 3 2.
В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различаются типы турбин.
Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего колеса
(9.3)
Таким образом, вся энергия потока состоит из энергии положения Z1-Z2 энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии
Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энергию, называются реактивными. В таких турбинах
(9.4)
и, следовательно, процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе частично используется и кинетическая энергия потока.
Если в гидротурбинах используется только кинетическая энергия потока, то они называются активными.
В таких турбинах Z1=Z2, p1=p2 т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется в скорость.
Мощность турбины согласно уравнению (3.54) может быть выражена
(9.5)
В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные
Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые - пропеллерные и поворотно - липастные, диагональные поворотно - лопастные и радиально -осевые турбины.
В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин, двойного действия. Последние две системы не имеют столь широкого распространения, как ковшовые.
Каждая система турбин содержит несколько типов., имеющих геометрически, подобные проточные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.
Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоко-напорные. Низконапорными принято считать, турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25 ? Н ? 80 м и высоконапорными при Н > 80 м.
Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.
К малым туpбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса Di ? l,2 м при низких, напорах и Di ? 0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.
К средним -- те турбины, у которых l,2 ? Di ? 2,5 м при низких напорах и 0,5 м ? Di ? l,6 м при высоких, а мощность 1000 кВт<N?15000 кВт.
К крупным турбинам относятся те, которые имеют D1 и N1 больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.
9.2 Активные гидротурбины
Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые. Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 9.1. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши) (рис. 9.2). На ковшах, происходит преобразование гидравлической энергии, заключенной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно один за другим при его вращении принимают струю.
Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет, собой сходящийся насадок из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя воды. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопроводу за вычетом потерь, обращается в кинетическую.
Игла, перемещаясь в сопле в продольном направлении, меняет его выходное сечение и тем самым диаметр выходящей струи. При изменении диаметра струи изменяется расход через сопло.